CA1132457A - Machine tandem a pistons libres opposes - Google Patents

Abstract

Une machine tandem à piston libres opposés comporte au moins deux groupes de pistons-cylindres moteurs A et B et des cylindres compresseurs et les parties mobiles de cette machine constituent deux équipages. Les cylindres compresseur de l'équipage mobile extérieur sont disposés à l'extérieur de traverses sur lesquelles sont fixés les pistons moteurs et compresseurs extérieurs et qui sont réunies entre elles par des tiges de liaison. La machine peut comporter plusieurs groupes moteurs et plusieurs groupes compresseurs, et constituer un autogénérateur de gaz.

Description

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L'invention es-t re].ative ~ des machines tandem à pistons libres opposés et en particulier a celles compor-tant au moins deux groupes de pistons-cylindres moteurs disposes parallelemen-t l'un a côte de l'autre et au moins clcllx elemcnts com~rcsseurs, chacun de ces groupes pistons-cyllndres moteurs comprenant deux cylindres ali~nes dans cllacun desquel.s travaillent deux pistons moteurs opposes, les deux pistons moteurs extérieurs de chaque groupe etant relies a des pistons compresseurs par l'intermediaire de traverses exterieures fixees l'une a l'autre par au moins un élément de liaison, de sorte que soit formé ainsi un équipage mobi1e extérieur, tandis que les deux pistons moteurs interieurs de chaque groupe sont reliés entre eux et a d'autres pistons com~resseurs par une traverse intérieure pour former ainsi un equipage mobile intérieur.
Dans ces machines, l'équipage mobile exterieur est soumis a des vibrations longitudinales créées par les harmoniques des efforts periodiques ainsi qu'a des vibrations de ~lexion créées par des dissymétries de fonctionnement ~0 dans les groupes pistons-cylindres moteurs, ces dissymé-tries étant dues surtout a des differences dans la vitesse de combustion, dans l'avance de combustion, dans l'etat des injecteurs, etc.
L'un des parametres influençant de la manière ].a plus défavorable l'amplitude de ces vibrations est la longueur des bras de levier par lesquels les tiges des pistons com-presseurs sont rel.iees aux susdites pièces transversales (croisillons) exterieures.
L'invention vise notamment a obtenir un raccourcisse-ment de ces bras de levier et, par conséquent, une diminu-tion de l'amplitude des vibrations susmentionnées.
Selon la presente invention, Il est prévu une '~

machine tandem à piston libres opposés comportant au moins deux groupes de pistons-cylindres moteurs disposés parallele-ment l'un à côté de l'autre et au moins deux éléments com-presseurs, chacun de ces groupes pistons-cylindres moteurs comprenant deux cylindres alignés dans chacun desquels tra-vaillent deux pistons moteurs opposés, les deux pistons moteurs extérleurs de chaque groupe étant reliés a des pistons compresseurs par l'intermédiaire de traverses extérieures fixées l'une a l'autre par au moins un élément de liaison/
de sorte que soit formé ainsi un équipage mobile extérieur, tandis que les deux pistons moteurs in-térieurs de chaque groupe sont reliés entre eux et a d'autres pistons compresseurs par une traverse intérieure pour former ainsi un équipage movile intérieur, caractérisée par le fait que les pistons com-presseurs faisant partie de l'équipage mobile extérieur sont disposés a l'exterieur des traverses de cet équipage, dans le sens axial, tandis que les pistons moteurs et les éléments de liaison faisant partie de ce même équipage mobile extérieur se trouvent du côté intérieur desdites traverses.
Dans le cas ou chacune des pieces transversales de l'équipage mobile extérieur est montée, de fason a pouvoir y glisser, sur une tige ou un tube qui s'étend entre deux supports fixes et qui se trouvent de part et d'autre de ladite pièce, il est avantageux de fixer les cylindres des pistons compresseurs faisant partie de cet équipage mobile sur le support extérieur de ladite tiye ou dudit tube.
Pour obtenir des puissances élevées~ on es-t amené a prévoir, de chaque côté de la -traverse interne, quatre pistons moteurs internes déplaçables le long des cylindres moteurs disposés aux sommets d'un rectangle et deux pis--tons compresseurs coulissant dans des cylindres compres-'~3 seurs internes ~ont les axes passent hors dudi-t rectangle, l'equipage mobile externe comprenant deux traverses exter-nes reliees par au moins un tirantl poxtant chacune quatre pistons moteurs externes déplaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs externes.
L'un des problemes qui se présente alors est consti-tue par la différence de masse intrinseque entre les equi-pages mobiles interne et externe, qu'il est nécessaire de compenser par adjonction de masses qui provoquent des ef-forts importants sur les moyens de synchronisation; un autre problème est constitué par les dimensions et la masse qu'atteignent les traverses, qui doivent transmettre des efforts importants et alternés entre pistons compresseurs et pistons moteurs.
L'invention vise également à réduire dans ce cas la masse de chacun des équipages, en agissant notamment sur celle des traverses qui en constitue un élément important, et à équilibrer le plus possiblè ces masses de~ façon intrinsèque.
Dans ce but, les axes des cylindres compresseurs internes peuvent passer par le prolongement de la petite médiane dudit rectangle tandis que les axes des compresseurs externes, disposés hors dudit rectangle, peuvent passer par le pro-longement de la grande médiane de ce dernler.¦

Un mode d'exécution d'une machine tandem se].on l'in-vention et des variantes sont représentés dans les dessins ci-annexés, dans lesquels :
- la fig. 1 est une vue schématique, en coupe longitudina-le, d'une machine presentant une configuration "~ plat" , - la fig. 2 est une coupe transversale d'une machine cons-t~ uant une vari.ante ;
- la ig. 3, similaire à une fraction de la fig. 1, montre une autre variante :
- la fig. 4, simil.aire ~ la fig. 2, est un schéma de prin-cipe montrant la disposition des axes des cylindres mo-teurs et des cylindres compresseurs d'une autre variante encore.
La machine illustrée en fig. 1 comporte deux groupes de pistons-cylindres moteurs A et B mais elle pourrait comporter un nombre plus important de groupes de pistons-cylindres moteurs. Chacun de ces groupes comporte deux cy-lindres moteurs alignés 1 et 2. Dans chacun de ces cylin-dres travaillent deux pistons moteurs opposés 3, 4 et 5, 6. Chacun de ces cylindres est entouré de culottes de ba-layage et d'échappement communiquant avec le compartiment délimité par les pistons par des moyens qui ne son-t repré-sentés, de façon très schématique, que sur l'un des cylin-dres 1.
La machine comporte, en outre, huit cylindres com-presseurs 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 dans lesquels tra-vaillent les pistons compresseurs 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Les cylindres compresseurs sont avantageusemen-t agencés de façon telle que les pi.stons compresseurs fonc-tionnen-t à double effet. Les soupapes d'aspirati.on e-t de refoulement qui se trouvent des deux côtés des cylindres compresseurs ne sont pas représentées sur la fig. 1, leur disposition étant classique.
Les organes mobiles peuvent être regardés comme ré-partis entre un équipage extérieur et un équipage inté-rieur.
Les pistons moteurs extérieurs 3 et 6 des deux grou-pes de pistons-cylindres moteurs A et B ainsi que les pistons compresseurs 15, 16, 17, 1~ des cylindres compres-seurs ex-térieurs 7, 8, 9, lo font partie de l'équipaye mo-bile extérieur dans le sens axial. A cet effet, les tiges de ces pistons moteurs et compresseurs son-t fixées sur des traverses extérieures 23, 24, reliées par deux tiges ou tirants 25, 26. Les pièces transversales 23, 24 sont mon-tées, de façon à pouvoir y glisser, sur des tiges ou tubes 27, 28 qui sont fixés de part et d'autre de ces pièces transversales sur des suppor-ts fixes 29, 30 et 31, 32 qui font partie du bâti de la machine. Dans une variante de realisation, chacune des pièces 23 et 24 est fixée sur un tron,con de tige ou tube correspondan-t qui coulisse dans deux paliers ~i.xes au bati de l.a machine, placés chacun d' Ull coté de la pièce.
Conformément à l'invention et pour reduire la lon-gueur radiale des pièces transversales extérieures 23, 2~, les eléments compresseurs de l'équipage mobile extérieur sont disposés du coté extérieur des pièces 23, 24, -tandis que les pistons moteurs extérieurs 3 et 6 de ce meme équi-page mobile ainsi que les tiges de liaison 25 et 26 se trouvent entre les traverses 23, 24, c'est-à-dire du coté
intérieur de ces pièces.
La réduction de masse des organes mobiles que permet d'obtenir cette disposi-tion a plusieurs causes, qui seront maintenant brievement indiquées. 11 faut d'abord rappeler que les Eorces sont imposées et doivent correspondre à des contraintes de Eatigue admissibles dans le me-tal consti-tuant les pièces de l'équipage mobile. Ces contraintes, pour des forces données, varient en fonc-tion de la dimen-sion des traverses 23 et 24 et de la longueur d~l bras delevier que présentent, par rapport au centre des traver-ses, les diverses forces appliquées (par les moteurs, les compresseurs et les tirants) : en plac,ant les cylindres compresseurs près de l'a~e (ce qui est possible puisqu'il suffit de laisser l'espace radial nécessaire au bati 29), on réduit les bras de levier, donc les contraintes pour des forces égales, donc ].a section à donner à la traverse.
De plus, un développement radial plus faible correspond ~3~7 evidemment à une masse plus faible e-t à une rnoindre sensi-bilité aux vibrations. Une diminution de la masse est par ailleurs très avantageuse car elle permet d'augmen-ter le nombre de battements par ~nité de temps et donc la puis-sance de la machine (produit de l'énergi.e fournie par cy-cle par le nombre de cycl.es par unité de temps).
~ vantageusement, les cyl.indres compresseurs 7, 8 et 9, 10 dans lesquels travaillent les p.i.stons compresseurs 15, 16, 17, 1~ fai.sant partie de l'équipage mobile exté-rieur sont fixés respectivement sur les parties 29 et 31du bâti de la machine sur lesquelles sont fixées également les extrémités extérieures des -tiges ou tubes 27, 28.
~ 'équipage mobile intérieur comprend les pistons mo-teurs intérieurs 4 et 5 des deux groupes pistons-cylindres lS moteurs A et B ainsi que les pistons compresseurs 19, 20, 21, 22. Les tiges de tous ces pistons moteurs e-t compres-seurs sont fixees sur une traverse intérieure 22 dans la-quelle sont ménagées des ouvertures 34, 35 pour le passage libre des tirants 25, 26 de l'équipage mobile ex-térieur.
20 Les cylindres compresseurs 11, 12, 13, 14 dans lesquels travaillent les pistons compresseurs l9, 20, 21, 22 sont fixés avantageusement sur l'extérieur de la partie 36 du bati à ].'intérieur de laquelle se trouvent les groupes pistons-cylindres moteurs.
De cette façon, la piece transversale 33 de l'équipa-ge mobile intérieur a une longueur radiale supérieure à
celle des pièces transversales 23, 24 de l'équipage mobile extérieur. En effet, la distance minimum entre les com-presseurs intérieurs et l'axe est déterminée par l'encom-brement des culottes de balayage et d'échappement des cy-lindres moteurs.
En plus de l'avantage déjà mentionné de l'invention et qui consiste dans le raccourcissement des pièces trans-versales 23, 24 de l'équipage mobile extérieur et dans la réduction de la masse de ces pièces transversales, l'in-vention entraine d'autres avantages. C'est ainsi que les manches d'aspiration des cylindres compresseurs sont bien séparées pour chaque phase d'aspiration, ce qui permet de mieux les dirnensionner, de les simplifier et de faciliter leur mon~age et leur démon-tage. Cet~e faci]i~é du montage et du démontage est surtout importante pour les plaques porte-clapets des cylindres compresseurs. ~n outre, les injecteurs des cylindres moteurs sont égalemen~ facilement accessibles et, par conséquent, faciles à démonter. De plus, l'air refoule par les compresseurs extérieurs 7, 8, ~, 10 peut être refroidi separément dans de très bonnes conditions. EnEin, l'extérieur du bati qui en-toure les groupes pistons-cylindres moteurs et sur lequel sont mon-tés uniquelllent les cylindres compresseurs de l'équipage moblle intérieur offre de la place pour l'installation de commandes d'injection qul peuvent ainsi être rapprochées des injecteurs.
La variante illustrée en fig. 2, où les organes cor-respondant a ceux de la fig. 1 portent le meme numéro de référence, comporte quatre groupes de pistons-cylindres moteurs : sur cette figure a été représen-té schématique-ment l'encombrement radial des culottes 37 de balayage et d'échappement des moteurs. On voit que les compresseurs intérieurs 14 qui s'appuient sur le bati 36 ne peuvent etre plus proches de l'axe qu'ils ne le sont sur la fig. 2, du fait notamrnent de la présence des culottes de balayage et d'échappement entourant les cylindres moteurs 2.
La variante de la fig. 3, où les organes correspon-dant à ceux de la fig. I portent encore le meme numéro de référence, se différencie de celle de la flg. 1 en ce que l'équipage extérieur ne comporte que deux pistons compres-seurs 38 dont un seul est rnon-tré. Chacun de ces pistons 38, placé dans l'axe de la machine, se deplace dans un cylindre compresseur 39. Les pis-tons 38 sont, dans le mode dc rc'?alisation dc la Eig. 3, portés par des tiges 40 soli-daires des traverses 23, placés en prolongement d'un ti-rant axial 41 qui remplace les tirants 25 et 26 de la fig. 1. Les ti~es 40 peuvent etre constituées par des pro-longements du tiran-t 41 sur lequel les traverses 23 sont fixées.
Dans le mode de réalisation illustré en fig. 3, la ~3~5~

tige 40 se prolonge au-delà du piston 38 et elle peut ain-si etre supportée par des pallers g~li.des 42 placés de part et d'autre de chaque cylindre 39. Le -tirant axial 41 est, de son côté, guidé par deux paliers 43 placés à proxirnité
des traverses et dont ~n est visible sur la fig. 3. Les traverses 23 peuvent alors ëtre soi.t guidées uniquement par le tirant axial 41 et les tiges 40 qui les portent et coulissent dans les paliers guides 43 et 42, soit guidées de plus par coulissement sur un nornbre pair de tiges ou de tubes fixes 44 disposés symétriquement, comme indiqué en tirets sur la fig. 3. Des tiges 44 peuvent également gui-der la traverse 33.
Dans la variante montrée en fig. 4, où les organes ccrrespondant à ceux de la fig. 1 portent les mêmes numé-ros de référence, la traverse interne 33, qui, du fait dese~forts auxquels elle est soumise, sera général.ement usi-nee dans une pièce forgée unique, est fixée sur un tube axi.al 45 de guidage, porté par des paliers (non représen-tes) écartés l'un de l'autre, d'une distance au moins éga-le à trois fois le diamètre du -tube, et fixes au bati. La traverse 33 comporte deux bras opposés horlzontaux fixés aux tiges des pistons des cylindres compresseurs internes 11-14. Deux excroissances de la traverse sont fixées aux tiges des huit pis-tons des cylindres moteurs internes.
2S L'équipage rnobi.].e externe comporte deux traverses externes 24 dont l'envergure peut etre rendue -très infé-rieure à celle de la traverse centrale 20, ce qui offre plusieurs avantages. D'une part, on tend à équilibrer les masses des équipages internes e-t externes de facon inhé-rente. D'autre part, les contraintes subies par les -tra-verses externes sont sensiblemen-t diminuées, particulière-ment a~l cours de la phase motrice, lorsque des efforts de signes opposés sont transmis par les tiges de pistons mo-teurs externes et les tirants 25 et 26 de liaison entre les ~raverses 24, placés au droit des tiges des pistons des cylindres compresseurs 7, 10 et 8, 9. Cette disposi-tion des tirants leur permet de passer en dehors de la traverse centrale 33. Il est en conséquence possible de leur donner une constitution monobloc et d'autoriser un démontage relativement aisé de la traverse 33.
La disposition de traverses centrale et externes qui vient d'être décri-te présente des avantages impor-tan-ts par rapport à la disposition qui consiste à placer les axes des compresseurs internes et externes dans le même plan (fig. 2)~
Cet avantage apparait si l'on se souvient que les axes des cylindres moteurs 1 ou 2 doivent être disposés aux angles d'un rectangle pour concilier à la fois un rap-prochement maximum et la nécessité d'acceder aux injec-teurs, placés dans les anneaux médians des cylindres mo-teurs. En adoptant la disposition montrée en fig. 4, on réduit l'envergure des traverses externes, ce qui permet de reduire la masse de deux façons : d'une part, les di-mensions en plan sont plus faibles ; d'autre part, les mo--ments des forces sont également réduits. On tend ainsi à
équilibrer de façon inhérente la masse des équipages in-terne et externe.
Les traverses doivent être munies de moyens de guida-ge. Une première solution consiste à la munir de paliers glissant sur des tubes de guidaye fixe. Toutefois, pour une installation de grande puissance, il est plus avanta-geux de cons-tituer les moyens de guidage par un ou plu-sieurs tube(s) fixé(s) à la traverse et se deplaçant dans des paliers fixes dont la distance est égale à au moins quatre fois le diamètre du tube. Si cette solution augmen-te légèrement la masse des équipages mobiles, elle a en contrepartie l'intérêt d'éviter tout coussinet, garniture et arrivée d'huile mobile et de permettre de rendre les équipages mobiles sensiblement symétriques par rapport à
l'axe longitudinal de la machine.
D'autres variantes encore sont possibles. C'est ainsi que la machine tandem qui vient d'être décrite peut tra- ;
vailler, ou bien en tant que compresseur dans lequel l'air comprimé dans les cylindres compresseurs est refoulé à
l'extérieur, ou bien, et de préférence, en tant qu'autogé-nérateur de ga~ sous pression dans lequel au moins la plus ` 9 grande partie de l'alr comprimé dans les cylindres com-presseurs sert au balayaye et à l.a suralimentati.on dès cy-lindres moteurs dans lesquels les gaz de combustion ne se détendent qu':incomplètement, de sorte qu'un mélange chaud et sous pression composé de gaz de combus-tion et d~air de balaya~e sort des ouvertures d'échappemen-t des cylindres moteurs, mé].ange qui peut être utilisé pour l~entraInement d'une turbine.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Machine tandem à pistons libres opposés compor-tant au moins deux groupes de pistons-cylindres moteurs disposés parallèlement l'un à côté de l'autre et au moins deux éléments compresseurs, chacun de ces groupes pistons-cylindres moteurs (A, B) comprenant deux cylindres ali-gnés (1, 2) dans chacun desquels travaillent deux pis-tons moteurs opposés (3, 4 ou 5, 6), les deux pistons moteurs extérieurs (3, 6) de chaque groupe étant reliés à des pistons compresseurs (15, 16 ou 17, 18) par l'intermédiaire de traverses extérieures (23, 24) fixées l'une à l'autre par au moins un élément de liaison (25, 26), de sorte que soit formé ainsi un équipage mobile extérieur, tandis que les deux pistons moteurs inté-rieurs (4, 5) de chaque groupe sont reliés entre eux et à d'autres pistons compresseurs par une traverse inté-rieure (33) pour former ainsi un équipage mobile inté-rieur, caractérisée par le fait que les pistons com-presseurs faisant partie de l'équipage mobile extérieur sont disposés à l'extérieur des traverses (23, 24) de cet équipage, dans le sens axial, tandis que les pistons moteurs (36) et les éléments de liaison (25, 26) faisant partie de ce même équipage mobile extérieur se trouvent du côté intérieur desdites traverses (23, 24).

2. Machine selon la revendication 1 dans laquelle chacune des traverses de l'équipage mobile extérieur est montée, de façon à pouvoir y glisser, sur une tige ou un tube (27, 28) qui s'étend entre deux supports fixes (29, 30 ou 31, 32) qui se trouvent de part et d'autre, de ladite traverse, caractérisée par le fait que le support (29 ou 31) de l'extrémité extérieure dudit tube ou de ladite tige sert à la fixation des cylindres (7, 8 ou 9, 10) dans lesquels travaillent les pistons compresseurs de l'équipage mobile extérieur.

3. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chacune des traverses de l'équipage mobile extérieur est fixée sur un tronçon de tige ou de tube, chacun desdits tronçons coulissant dans deux paliers fixes (42, 43) qui se trouvent de part et d'autre de ladite traverse.

4. Machine selon l'une quelconque des revendica-tions 1 à 3, caractérisée par le fait que les cylindres compresseurs (11 à 19) de l'équipage mobile intérieur sont montés sur le bâti (36) qui entoure les groupes pistons-cylindres moteurs.

5. Machine selon la revendication 1, dans laquelle les traverses de l'équipage mobile extérieur sont reliées par un seul tirant (41), placé suivant l'axe de la machine, caractérisée en ce que ledit tirant (41) com-porte, au-delà des traverses, des prolongements (40) d'entraînement de compresseurs (39) placés sur ledit axe.

6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits prolongements s'étendent au-delà des compresseurs dans des paliers fixes de guidage (42).

7. Machine suivant la revendication 5 ou 6, carac-térisée en ce que lesdites pièces transversales sont guidées par le tirant axial qui coulisse dans des paliers fixes de guidage (42, 43).

8. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'équipage mobile interne comprend, de chaque côté de la traverse centrale, quatre pistons moteurs internes dé-plaçables le long des cylindres moteurs (2) disposés aux sommets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs internes (11, 12, 13 et 14) dont les axes passent hors dudit rectangle, en ce que l'équipage mobile externe comprend, fixés à
chaque traverse externe, quatre pistons moteurs externes déplaçables dans les cylindres moteurs et deux pistons com-presseurs coulissant dans des cylindres compresseurs exter-nes (7, 10 et 8,9) et en ce que les axes des cylindres compresseurs internes (11, 14 et 12, 13) passent par le prolongement de la petite médiane dudit rectangle, tandis que les axes des cylindres compresseurs externes (7,10 et 8,9) passent par le prolongement de la grande médiane du rectangle.

9. Machine suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les traverses externes sont guidées par deux tirants disposés dans le plan des axes des compresseurs externes, avantageusement, au droit des axes de ces compresseurs.

10. Machine suivant la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que chaque traverse est munie de moyens de guidage constitués par au moins un tube fixé
à la traverse et se déplaçant dans des paliers fixes dont la distance est égale à au moins quatre fois le diamètre du tube.