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GROUPE COMBINE DE MACHINES A PISTON ET) MACHINES ROTATIVES.
La présente invention se rapporte à l'entrainement d'un grou- pe de machines, composé d'un compresseur à pistons et d'un compresseur ro- tatif, par un ensemble, composé d9une machine à pistons et d'une turbine,,
On connaît Inapplication simultanée d'une machine à vapeur à pistons et d9une turbine à vapeur, pour l'entrainement d'une machine de tra- vail et ainsi on connaît surtout les groupes moteurs pour navires, systè- me "Bauer-Wach", construits en grandes quantités pour puissance normale ou moyenne.
Dans ces installations la vapeur sollicite d'abord la machine à piston, ce qui présente, par rapport à une turbine à haute pression ou à 1?étage haute pression d'une turbine, l'avantage qu'on exclut les pertes, provoquées par les jeux relativement grands qu'il faut prévoir pour des pa- lettes courtes.
Inversément en augmentant la limite basse pression de la turbine, on obtient l'avantage particulier, que les machines à vapeur ne doivent plus recevoir les grands-volumes finaux? d'ou résulte que la gran- de partie basse pression de ces machines peut disparaître ou être réduite sensiblement, tandis que le nombre de tours,, déterminé essentiellement par ces machines., augmente sensiblement., Ce double avantage permet donc de prévoir une construction plus légère de la machine à vapeur, et finalement,, les pertes-.aux registres pendant l'échappement de la vapeur seront réduites sensiblement Ces conditions sont très importantes dans le domaine'de la condensation, dans lequel, seule la turbine à vapeur peut, contrairement à la machine à pistons,
limitée à l'expansion, exploiter intégralement le vi= de que l'on peut obtenir techniquement
Dans le même ordre d'idées, une augmentation correspondante de la limite basse pression de la machine rotative, et de la limite haute pression de la machine à pistons, est, dans beaucoup de cas, également effi- cace lorsque, inversément, on applique une plus grande compression, quoique jusqu'à présenta cette méthode n'a été appliquée que très rarement.
Le
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turbo-compresseur très rapide, ou la soufflerie axiale moderne, sont les ma- chines indiquées pour l'obtention de quantités plus grandes de fluides? à des rapports de pression réduits et moyens dans des chambres réduites à des rapports de pression élevés.9 elles remplacent la partie basse pression d'un compresseur à piston, cette partie étant très lourde, d'un encombrement con-
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aidérable, et réduisant le nombre de tours,, Il s'ensuit que le compresseur à piston peut être sensiblement plus léger et plus petite et être réalisé
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sous la forme d9une machine très rapide, appropriée aux volumes plus res- treints et plus condensés.
L'idée de base de la présente invention est fondée sur la no- tion de cette équivalence dans les propriétés de machines à pistons à ex-
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pansion diurne part, et pour la compression d'autre part, et sur 19affînité également très serrée entre les machines rapides pour la production de òr- ce motrice et pour la compression, et consiste en la combinaison de ces quatre types de machines dans un seul groupe, les deux compresseurs étant
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commandés par les deux machines motrices d 9 une façon quelconque appropriée.
Dans ces conditions il est essentiel? que la paire de machi- nes motrices et la paire de machines de travail, appliquant des médiums très expansibles? respectivement compressibles tels que le gaz, la vapeur ou un mélange-des deux, étant donné que seulement dans ces conditions les avantages susdécrits de l'expansion dans une machine motrice à pistons, et
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d-lune turbine consécutive? ainsi que ceux résultant de la compression dans un compresseur rapide et d'un compresseur à pistons consécutif peuvent être exploités simultanément.
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On a déjà proposé d9appl.iqus une machine à vapeur à piston pour 19entrainement d'une pompe à piston, en utilisant la vapeur d9échap= pement de la première pour L9atraent d'une pompe circulaire, disposée avant la pompe à piston. Toutefois? il s9agit dans ce cas d9un système qui spécarte substantiellement de l'idée inventive n1!Sdécritep vu que les deux machines de travail requièrent exclusivement Inapplication d'eau, res- pectivement de liquides, lesquels sont en 190ccence considérés comme fluides non compressibles.
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Indépendamment des avantages.9 au point de vue économie d9éner= gie, du système de commande connu à l'aide de machines à vapeur et de tur- bines à gaz d'échappement, l'installation citée exploite seulement la par-
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tioa.ar3té9 , que les turbines peuvent être accordées plus avantageusement aux pompes circulaires qu'aux pompes à. piston. La pompe circulaire assure seulement 19alîmentatîon de la pompe à pistonp une fonction qui peut aussi être assurée, sans inconvénients ou une augmentation de consommation nota-
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blasspar la pompe à piston? étant donné quelle a de sature un rendement d9aspi atio plus grand que la pompe circulaire? laquelle nécessite? dans beaucoup de cas, leadjonctïon d9un dispositif d'aspiration complémentaire.
Le montage à l'avant ne simplifie pas la pompe à piston? puisqu9il est in- différent, si la course d9aspiration inévitable est utilisée pour Inspira- tion ou pour le remplissage du cylindre avec l'eau provenant de la pompe circulaire On ne peut même pas enlever un seul "étage" de la pompe à piston, vu que moyennant une étanchéité et une réalisation des soupapes ap-
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proprîées, la transformation de chaque dépression physiquement possible en une pression finale désirée doit pouvoir être assurée dans un seul éta- geo
On n'a cependant pas congu de porter un médium compressible
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à une pression supérieure, en deux phases, à 19aide d9un compresseur rota- tif et d9une machine à piston combinés, en exploitant simultanément l'avan- tage -,propre â.
3.9spasi.a de la vapeur dans les groupes Baae aoh présenté, à la partie dgatntrairnementg par le compresseur rotatif vis à vis de 1?étage basse pression de machines à piston, dans l'obtention de rapports de pression réduits et moyens.9 respectivement les étages basse pression.
De même, la pompe circulaire n'est pas utile pour le coté aspiration parce
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qu9 alie en augmente 1"encombrement? le prix de revient...été. Prévue au côté entraînement? elle offre l'avantage, quelle reprend la fonction de la
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turbine à vapeur d9échappementp appliquée aux fins dpéoànomîe dénergie, sorte que la force motrice ne doit plus être transmise à la pompe à piston, par un dispositif de transmission, et que le système de pompe à deux étages permet l'économie d'une pompe à eau de refroidissement pour le condenseur.
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Il convient cependant de considérer que, ni 'la pompe à pistoa9 ni la pompe eiroulaire, peuvent exploiter intégralement les nombres de tours technique- ment possibles des machines motrices à piston, respectivement turbines mo- dernes d'un rendement approprié. Tenant compte de l'énergie des masses
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d9a. respectivement du danger de cavitation des pompes de 1?un type ou de 19autre, les machines motrices correspondantes devront faire un nombre de tours essentiellement plus petit que celui qui pour les rendements considé- rés, est actuellement estimé efficace.
La présente invention part diurne toute autre conception, et sa grande valeur essentielle en consiste? qu'elle permet de réunir les avan- tages douane paire de machines motrices, comprenant une machine à piston et une machine à roue tournante, et les avantages,, non ou presque pas exploi-
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tés jusqu'à présent,, de la compression à 1?aide d'un compresseur à piston, précédé d'un compresseur circulaire? par la combinaison nouvelle des quatre machines en un groupe fermé en soie de façon telle,, que le nouveau groupe compresseur permet de dépasser largement les rapports de pression et les quantités à aspirer techniquement nécessaires dans les groupes compresseur
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d-qune autre construction, tout en réalisation un progrès sensible au point de vue grandeur,,
poids, encombrement, frais d'éreation, efficacité teohni- que et économique. Ces avantages résultent surtour du faîte que les ma- chines motrices à piston et de travail, et les machines motrices rotatives et de travail, alimentées par des fluides compressibles,, correspondent com-
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plètement paire par paire, et plus spécialement en ce qui concerne l'applî- cation de nombres de tours élevéso
La présente invention ne s'oppose non plus à la pratique connue,, d'augmenter le rendement, en dirigeant les gaz d'échappement de moteurs à pistons à combustion dans des turbines qui entraînent des souffle- ries, lesquelles permettent d'augmenter les quantités de l'air aspiré par le moteur à pistons et du combustible transformable.
Dans ces cas (ali-
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mentation de moteurs à gaz, moteurs Diesel, par exemple système "Büchille moteurs d'avions pour haute altitudep moteurs de courses) il s'agit d'in- stallations qui se distinguent essentiellement de la conception de base de la présente invention, par le fait, que l'air d'aspiration est compri- mé seulement pour le moteur, et qu'on n'y retrouve donc pas un compresseur
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à pistonp entraîné par la machine motrice à piston, et portant l9air9 com- primé par la soufflerie à une pression plus élevée, dans un but absolument indépendant du processus de la machine motrice.
Selon les plus simples méthodes de construction et d9appli- cation des machines actuelles, ces dernières sont traversées d'un fluide compressible circulant dans un sens, et d'un autre fluide compressible circulant en sens opposé, ou éventuellement de deux fluides identiques? le groupe moteur et le groupe de travail opérant à. des pressions initiales différentes ou égales.
Ainsi on rencontre par exemple les machines à vapeur avec turbine à vapeur d'échappement, accouplées à un compresseur à piston haute pression, précédé d'un compresseur rotatif, pour la production d'air sous pression, ou à un groupe compresseur pour la compression du gaz au lieu de production, ou à un poste intermédiaire d'une longue conduite de gaz à expé-
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dier, une partie du gaz d'arrivée étant utilisée dans un moteur à gaz et une turbine va gaz d9échappement con-s*écutîve,,
entraînant un compresseur rota- tif et un compresseur à piston pour la oompression du gaz à expédiero Les dessins annexés schématisent plusieurs exemples d9exécu- tion de l'objet de la présente invention les organes correspondants étant partout indiqués par les mêmes chiffres de référence.
Les figures 1 et 2 schématisent une machine motrice à piston 1,
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la turbine consécutive g, le compresseur cîroulaîre 3. et le compresseur à
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piston 4, les machines à piston et à roue circulaire étant raccordées, paire
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par paire, à l'aide d-laccouplements 2. respectivement 69 les machines motri- ces étant traversées du médium moteur par les conduits 1!} 8, tandis que les machines de travail ou entraînées sont traversées du fluide à comprimer
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par les conduits 10, ].1p 12.
Les groupes de compression à machines motrices et de travail à piston., et à machines motrices et de travail à rotatives, peuvent être ap-
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pliqués selon leinvention, ou bien encore selon de nombreux modes d'appli- cation concernant 1?alimentation et 19évacuation du fluide moteur et du fluide à comprimer, notamment les gaz, vapeurs ou un mélange des deux.
Cette particularité est très importante dans l'économie d'é- nergie et la technique des procédés, puisqu'alors chaque quantité ou quanti- té partielle à débiter d'un médium nécessaire pour le processus de produc- tion de force motrice et pour le processus de compression, ainsi que des mélanges de deux ou plusieurs médiums peuvent être traités de la manière la plus rationnelle, et techniquement la plus efficace dans les parties moteur et travail des machines., endéans les limites de pression déterminées et dans des conditions plus précises du principe fondamentale ce qui permet par exemple pour Inapplication de processus chimiques complexes, de combi- ner d'une façon très poussée les machines individuelles,
dans un seul grou-
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pe fermé en soi.. présentant les meilleures conditions possibles au point de vue économique et technique du processuso
Ainsi par exemple on peut, à l'un des étages d9une machine motrice à piston, avant la turbine et/ou à des étages de cette dernière., débiter le fluide de travail pour autres usages, ou ajouter un médium de travail identique ou autre., ou un combustible complémentaire.. La présente
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invention permet aussi d'une façon identique, de débiter, avant le deuxiè- me ou un étage postérieur du compresseur rotatif!} et avant le compresseur à piston et/ou le deuxième ou un étage postérieur de ce dernière une par-
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tie du fluide à comprimer? ou inversement? d9aouter un fluide compressible identique ou autre.
Ces débits partiels du médium, circulant dans les machine$ motrices et/ou de travail., peuvent être faits., lorsqu'on désire appliquer une partie de l'énergie thermique ou chimique dudit médium, ou le médium même, pour atteindre la pression finale en dehors des machines mo- trices et/ou de travail. Selon les besoins nombreux de la technique,? il peut s'agir d'un débit à un ou plusieurs étages de compression, et d9un débit définitif ou provisoire.
Dans ce dernier cas, une partie ou la quan tité totale est débitée, et après l'utilisation d'une partie de l'énergie mécanique., thermique ou chimique ou d'autres propriétés du fluide., ce der- nier est - matériellement inchangé ou changé - reconduit dans l'installa- tion pour continuer la production de force motrice ou la compression.
La figure 3 schématise un exemple d'application!}dans lequel des débits partiels définitifs sont faits à la partie motrice de la machine,
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par le conduit 13. et à la partie de compression, par le conduit 1l1.!} ain- si que des débits complets provisoires par le conduit 15. et l'application intermédiaire du médium dans un dispositif d utilisation 16.
D?une façon toute identique, on pente à tous endroits désirés de la circulation du fluide dans les machines motrices et/ou de travail, ajouter des quantités de fluides à pression intermédiaire appropriée, en
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vue d'augmenter l'énergie dans le processus de la machine ,motrice dsutili- ser un deuxième ou plusieurs porteurs d'énergie, d9appliquer dans le pas-
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sage ultérieur des machines motrices, un autre processus que dans le pre- mier étage, d'obtenir en fin du processus de la machine motrice un mélange approprié à un but déterminé, d9influencer la température à la partie com- pression ou d'obtenir des mélanges à achever dans des processus chimiques ultérieurs ... etc.
conséquemment, ni à la partie motrice, ni à la partie travail, les étages doivent être construits pour la même quantité de passa- ge ou pour le traitement des mêmes médiums. Les débits et apports inter- médiaires peuvent être faits indépendamment les uns des autres.
La figure 4 schématise une telle exécution. Entre la machine
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motrice à piston avec turbine, et un étage intermédiaire du compresseur,
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les conduits 17-18 ajoutent un fluide respectivement mélange complémentai- reo Le conduit permet le débit au compresseur â piston.
Une autre réalisation, notamment un groupe de compression pour approprier les caractéristiques initiales et finales au point de vue force motrice et chaleur,de deux ou plusieurs fluides compressibles desti- nés à des processus chimiques complexes, en consiste dintroduire deux mé-
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diumsp 1?un après 1-'autre, à la partie motrice de la machinep o9est .=dire après un des étages de la machine motrice à pistons, derrière la machine, après le passage partiel dans la turbine ou dans le compresseur,, derrière ce dernier, ou bien encore derrière ce dernier ou un des étages du compres- seur à pistous d'évacuer complètement le médium traité, et de le traiter complémentairement avec un autre médium à pression initiale inférieure, iden- tique,
ou supérieure Au lieu de combiner dans un seul bâti9 deux ou plu- sieurs machines à piston et machines circulaires pour deux ou plusieurs
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fluidesp on peut également monter 1-'une à côté de l'autre et sur le même axe deux ou plusieurs machines motrices à piston, respectivement turbines ou compresseurs rotatifs.
Les figures 5-6 schématisent des dispositions de ce genre. -
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Selon la figure 1 la partie haute pression deune machine motrice à piston 1 reçoit un médium, via les conduites 0 tandis que sa partie basse pres- sion et la turbine consécutive 2. reçoiventp indépendammentp un autre.? ou le même médium, via les conduites 2l-2;
à la partie compression sont utilisées séparément une machine circulaire 2 et une machine à piston é, via les conduits iQ . -2 ,2 respectivement 2 o Suivant la figure 6 la dis- position de base est encore développée., en ajoutant une turbine 2' avec
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l'accouplement 6 p et un deuxième compresseur à piston l.9 avec l'accouple- ment 8 ces machines étant alimentées via les conduits -6iP respective- ment 2 ,6-g7
Il est encore possible, que des machines motrices à piston et circulaires, ainsi que des machines de travail à piston et circulaires, traversées séparément de leurs fluides, doivent être appliquées dans un processus plus long, ou bien doivent intervenir ensemble comme porteurs
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d9êre gie9 ou bien encore doivent être appliquées matériellement ou être combinées mutuellement d-une autre fagon, Dans ces cas,
il a9y a, contrai- rement à la disposition de base des figures 1S 2 et à celle des figures 4-6p ni à la partie motrioep 'ni à la partie travail de la maahine, un courant de fluide entre les machines à piston et les machines rotatives. Les con-
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duites de jonction 8 et 1 sont alors écartées,, L9îdée de base peut en- core être développée, en vue de répondre à certains'problèmes spéciaux dans la technique des procédés, et des rapports très précis concernant la quantité et la quantité-énergie y spécifiés, en appliquant à nouveau une installation fermée comprenant les quatre types de machines, cet assembla- ge des quatre machines assurant tous les avantages, cités en rapport avec
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les autres dispositions originales suadécrites.
L9accouplement matériel des machines à piston aux machines circulaires correspondantes est alors déterminé par le plus grand processus chimique, respectivement technologique ou dautres dispositions prescrites, et, en vue d'atteindre les rapports concernant la quantité et la quantité-énergie désirés, il peut être équi- pé d'un système de réglage commun pour les machines à piston et circulaires.
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Il va de soi, que dans les nouvelles installations susdéeri- tes, aussi bien à la partie motrice qu-à la partie travail,, tous les avanta- ges concernant 1?économie d énergie et autres, propres à chaque maohine, peuvent aussi être exploités. Ainsi on peut citer par exemple le refroidis- sement de la vapeur fraîche des machines motrices, par exemple à l'aide de vapeur d'échappement détendue partiellement ou complètement,, ou bien encore la surchauffe intermédiaire de la vapeuro Si la machine motrice à piston
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est un moteur'à combustion, dont les gaz d échappement sont utilisés par une turbine, on peut encore ajouter, avant ou dans la turbine) un autre com-
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bustible,
ou refroidir les gaz déchappement de la machine à piston, avant' qu'ils entrent dans la turbine, avec ou sans récupération de la chaleur ré- siduelleo De la même façon!) on peut prévoir des dispositions avantageuses dans les processus à air chaud. Des dispositifs de refroidissement intermé- diaire ou ultérieur peuvent par exemple être prévus à la partie compression.
Outre les avantages au point de vue économie d'énergie, et de Inapplication très efficace du dispositif de compression, pouvant être ob- tenus aussi bien à la partie d'entrée qu'à la partie de sortie, la réunion des quatre types de machines permet encore un grand nombre variable de rac- cordements des courants de fluide, qui assurent un échange énergie-matière extrêmement efficace entre les deux médiums et/ou les médiums d'apport uti- lisés dans le processus de la machine.
Ainsi par exemple la chaleur de compression des fluides à comprimer peut être communiquée au fluide de travail de la machine motrice,, dans un échangeur de chaleur, afin de chauffer ou sécher ledit fluide. Dans ces cas., l'échangeur de chaleur sera prévu entre deux étages de la machine motrice, ou entre la machine motrice à pistons et la turbine. L'eau de refroidissement du compresseur peut également être appliquée par exemple pour refroidir la vapeur fraîche des machines motrices, et pour la porter à un niveau de température jugé plus compatible avec les conditions thermo- économiques idéaleso Il peut encore être désirable, que les médiums des machines motrices et de travail traversent ensemble et partiellement ou complètement le processus de production de force motrice ou le processus de compression.
C'est le cas de l'alimentation à l'air d'un moteur à com- bustion, constituant la machine motrice d'une installation de compression, ledit air étant pré-comprimé dans le compresseur rotatif. Pour l'échange de matière entre les machines motrices et les machines de travail, on don- nera seulement quelques exemples, puisés dans les très nombreuses applica- tions possibles,, données par l'économie en force motrice et chaleur, la tech- nique du gaz à haute pression, l'industrie chimique et les industries con- nexes, et augmentant sensiblement les avantages d'un groupe compresseur? constitué de quatre types de machines.
Il arrive fréquemment. que les médiums, appropriés à un pro- cessus déterminée ne peuvent être adaptés de fagon efficace au point de vue quantité-énergie à l'une ou l'autre des installations de compression susdé- crites, ou bien que la production de force motrice à 1-'aide de fluides com- pressibles disponibles, n'est pas suffisante pour les rendements prévus des compresseurs, ou qu'il reste un surplus sur le rendement du compresseur, ou bien encore que d'autres machines de travail doivent encore être comman- déeso Dans ces cas, on peut ajouter au groupe compresseur, des générateurs de force motrice et machines de travail de tous genres, outre les machines motrices à piston, turbines,
compresseurs à piston et circulaires? afin dassurer l'équilibre parfait de l'installation et de satisfaire à toutes les conditions du processus chimique ou autre envisagé, ou pour réduire le nombre d'aggrégats séparés appliqués dans l'installation.
L'invention concerne également une proposition concernant l'u- niformité dans la marche des quatre machineso De nombreuses solutions sont possibles. On peut accoupler les machines à piston,, ainsi que les machines circulaires l'une en dessous de l'autre. Dans ce cas, les machines à pis- ton comportent un dispositif de réglage, et les machines circulaires seule= ment un dispositif de sécurité contre la continuation de la rotation, ou les deux groupes comportent un dispositif de réglage commun. Au lieu d'ac- couplements d'un genre connu,, on peut également appliquer des accouplements à engrenages ou sans étages, ou bien encore des accouplements à fluides.
Ces derniers peuvent encore être remplacés par une boîte à rapport de trans- mission fixe ou variable, dont 1?arbre de sortie rapide est accouplé aux machines circulaires? et dont l'arbre de sortie lent est relié aux machi- nes à piston. Les masses tournantes très rapides des machines à turbine nécessitent alors Inapplication d'un volant, et assurent ainsi la marche uniforme de l'ensemble. Si la charge dynamique du dispositif est maintenue
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à une valeur réduite, il peut par exemple être intercalé entre les deux ma- chines à piston, à l'aide d'accouplements hydrauliques.
Il va de soi que dans des installations complexes,, l'apport complémentaire en médium de travail aux machines motrices et de travail, ainsi que les débits de médium, nécessitent Inapplication de dispositifs de commande, de réglage ou autres pour contrôler rigoureusement les quantités et pressions ajoutées, respectivement débitées. Ainsi par exemple dans les installations très instables, on peut débiter le médium comprimé en dessous des limites de pompage du compresseur rotatif, si ce dernier comprime le médium au dessus des limites de pompage, et si le surplus est, après déten- te, à nouveau introduit dans le compresseur rotatif.
Afin de neutraliser les pertes d'énergie éventuelles, il sera souvent efficace,, de réaliser cet- te détente dans des turbines, accouplées aux compresseurs rotatifs.
Les figures 7 à 9 schématisent trois exemples d'exécution pour l'accouplement et le réglage des machines. Suivant la figure 7, un dispositif de réglage 28 contrôle, via un robinet 29. la vapeur, le gaz, mé- lange ou combustible? dirigé à la machine motrice à piston, tandis que le dispositif de réglage 30 limite, via le robinet 31. le nombre de tours de la turbine. Un volant 32 réduit la marche non uniforme des machines à pis- ton à une valeur admiseo
La figure 8 se distingue seulement de la figure 7, par le fait qu9un seul dispositif de réglage 33 contrôle, via le robinet 34. 1'ali- mentation de la machine motrice à piston? et? via le robinet 35 limite le nombre de tours de la turbine.
Dans les deux cas, un accouplement 5-6 as- sure par exemple la transmission d'énergie des machines motrices aux machi- nes de travail.
Enfin, la figure 9 schématise 1?accouplement des machines à piston aux machines de travail, à 1'aide d'un dispositif de transmission 36-37. Le dispositif de réglage 28 limite, via le robinet 29. le rendement et le nombre de tours de l'ensemble.
REVENDICATIONS.