CA1132458A

CA1132458A - Machine a pistons libres multi-tandem

Info

Publication number: CA1132458A
Application number: CA354,042A
Authority: CA
Inventors: Henry Benaroya
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1980-06-16
Publication date: 1982-09-28
Also published as: US4678407A; WO1981000019A1; BE884002A; SU948297A3; NO810579L; DK80181A; JPS56500724A; IT1131350B; NO153541C; NO153541B; FR2459875A1; IT8022859A0; EP0031344A1; EP0031344B1; DE3061420D1

Abstract

Machine à pistons libres comportant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale et guidé en translation de façon à pouvoir se déplacer d'un mouvement alternatif le long de l'axe du bâti et un équipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliées par au moins un tirant. Le bâti comporte un socle et un sommier reliés par au moins une structure monobloc centrale. L'équipage mobile interne comprend quatre pistons moteurs internes déplaçables le long des cylindres moteurs disposés aux sommets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs dont les axes passent hors dudit rectangle.

Description

La présente invention concerne les machines a pistons libres multi-tandem, et en particulier celles comportant plu-sieurs couples de cylindres moteurs parallèles, cheque cylindre contenant deux pistons moteurs libres opposés, solidaires de pistons compresseurs.
L'invention a plus particu].ièrement pour objet une machine multi-tandem à pistons libres comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale trans-versale a un axe du bâti, guidé en translation de façon a pou-voir se déplacer d'un mouvement alternati~ le long dudit axe,portant, de chaque côté, quatre pistons moteurs internes dépla çables le long des cylindres moteurs disposés aux sommets d'un rec~angle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs internes dont les axes passent hors dudit rectangle, un equipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliées par au moins un tirant, portant chacune quatre pistons moteurs externes déplaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulis-sant dans des cylindres compresseurs externes, et des moyens de synchronisation du mouvement alternatif des deux équipages.
L'invention vise à fournir une machine multi-tandem dont le bâti présente une rigidité tres élevée, assurant un guidage satisfaisant des equipages tout en au-torisant un démon-tage aisë des cylindres, et notamment des cylindres qui ont une dimension axiale importante.
Selon la présente invention, il est prévu une machine multi~tandem à pistons libres, comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale transversale a un axe du bâti, guidé en translatioll de façon a pouvoir se deplacer d'un mouvement alternatif :Le long dudit axe, por-tan-t, de chaque cote, quatre pistons moteurs internes dépla~ables le long de cylindres moteurs disposés aux sommets d'un rec-tangle et deux pistons compresseurs coulissant dans ~es c~llndres compresseurs internes don-t les axes passent hors dudi-t .rectan-gle, un equipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliees par au moins un tirant, portan-t chacune quatre pistons moteurs externes deplaçables dans quatre desdits cylin-dres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs externes, et des moyens de synchronisa-tion du mouvement alternatiE des deux équipages. Cette machine est caractérisée en ce que le bati comporte un. socle et un sommier supéri.eur reliés par au moins une structure monobloc centrale sur laquelle sont fixés les cylind~es compresseurs internes.
L'invention trouve une application particulierement importante dans les installations de production d'énergie com-- prenant une machine à pistons libres, une turbine a gaz qui reçoit les gaz d'échappement des cylindres moteurs et un com-presseur qui fournit aux cylindres compresseurs de l'air a une pression supérieure a la pression atmosphérique, par l'inter-médiaire d'un refroidisseur classique. Dans ce cas en effet, chaque Gadre peut etre conçu pour consti-tuer/ avec le socle, le sommier et un carter qu'il contient et qui délimite un espace contenant la traverse exte.rne correspondante, un collec-teur d'alimentation des cylindres compresseurs externes corres-pondants.
Les traverses doivent, de préference, être munies de moyens de guidage. Une premi.ère solution consiste a les munir de paliers glissant sur des tubes de guidage fixes. Toutefois, pour une installation de grande puissance, il est plus avan-ta-geux de consti-tuer les moyens de guidage par un ou plusieurs tube(s) fixe(s) a la traverse et se deplaçant dans des paliers fixes dont la distance est égale a au moins qua-tre fois le diamètre du tube. Si ce-tte solution augmente legeremen-t la ,~

- 2 -~ Z4~
. .
maSse des équipageS mobiles, elle a en contrepartie 1' interêt d'eviter tout cousslnet, garniture et arrivee d'huile mobile, et de permettre de rendre les equipages mobiles sensiblement symé-tri~ues par rapport à l'a~e longitudinal de la machine.
L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit d'une machine multi-tandem qui en constit~e un mode particulier de realisation donne à titre d'exemple non limitatiE. La description se refere aux dessins qui l'accom-pagnent, dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en élévation de la partie gauche de la machine, - la figure 2 est un schéma de principe montrant la disposition des axes des cylindres moteurs et des cylindres compresseurs de la machine de la figure 1, vue en bout, - les figures 3, 4 et 5 sont des vues en coupe sui~
` vant les lignes III-III, IV-IV, et V-V de la figure 1.
~ a machine montree en figure 1 comp.orte un bati, un équipage mobile interne et un equipage mobile externe, ains que des conduites fixes de circulation des gaz.-5~

Le bâti compor-te un socle 10 et un somrnier supérieur 11 sensiblement de meme longueur, reliés par une structure monobloc interne 12 e-t deux cadres L3, symétriquemsnt dis-posés par rappnrt au plan médian III. Cette constitu-tion, complétée par des structures cruci-Formes 14, donne au bâ-ti une très grande rigidité.
Le bâti porte, par des moyens qui seront décrits plus loin, quatre cylindres moteurs, dont deux, 15a et 15b, appa-raissent sur la figure 1, de chaque côté du plan médian III~
Les axes des quatre cylindres 15_, 15b, 15c et 15d sont dis-_ _ posés aux anglss d'un rectangle 16 qui, dans le mode de ré~
alisation illustré, est disposé avec son grand côté verti-calement. Deux cylindres compresseurs internes à double effet 17a et 17b sont montés un de chaque côté de la struc-lS ture monobloc centrale 12. Suivant l'invention, les axesde ces cylindres 17a et 17b intersectent la petite médiane 1~ du rectangle 16. A chaque cadre 13 sont fixés deux cy-lindres compresseurs lBa et 15b également à double effe-t.
Les axes des cylindres lBa et lBb intersectent la grande médiane 19 du rectangle 16, à l'extérieur de celui-ci~
On ne décrira pas ici la structure des collecteurs placés autour des compresseurs et les clapets, étant donné
qu'elle peut être l'une de celles déjà connues, par exem-ple celle décrite dans le brevet US 3 669 571.
On décrira maintenant successivement la consti-tu-tion de l'équipage mobile interne et celle de l'équipage mobile externeO
L'équipage mobile interne comprend une -traverse cen trale 20 (figure 3) qui, du Fait des efforts auxquels elle est soumise, sera généralement usinée dans une pièce for-gée unique. La traverse 20 est fixés sur un tube axial 21 de guidage, porté par des paliers ~non représentés) écartés l'un de l'autre d'une distance au moins égale à trois fois le diamètre du tube, et fixés au bâti. La traverse comporte deux bras opposés horizontaux fixés aux tiges 29 des pis-tons des cylindres compresseurs internes 17a et 17b. Deux excroissances de la traverse son-t fixées aux tiges des pis-tons des cylindres moteurs internes 15a, 15b, 15c e-t 15d.

s~

La nécessité d"~n graissage des pièces en ~Jéplacernen-t relatif conduit à l'apparition d'un brouillard d'huile dans la zone proche de la traverse 20. Suivant l'invention, la structure monobloc centrale permet d'éviter des projections et des dispersions importantes de lubrifiant. Pour cela, on constitue cette structure centrale par une cage 22, à
l'intérieur de laquelle est placé un carter 23 enveloppant la traverse et de dimensions axiales suffisantes pour auto-riser le débattement de celle-ci. Le carter 23 est évidem-ment muni de joints de passage des tiges 29 reliant la tra-verse aux pistons. Ce carter ou la cage peuven-t porter les paliers du tube de guidage 21.
Grâce à la grande rigidité de la cage 22. il estpos-sible de fixer directement les compresseurs internes 17a et 17b sur la cage, ce qui permet d'avoir une symétrie de révolution des circuits internes améliorée.
L'équipage mobile externe présen-te une constitu-tion symétrique par rapport au plan médian III. Il comporte deux traverses externes 24 (figure 4) dont l'envergure peut être rendue très inférieure à celle de la traverse centra-le 2û, ce qui of-Fre plusieurs avantages. D'une part, on tend à équilibrer les masses des équipages internes et ex-ternes de Fac~on inhérente. D'autre part, les contraintes subies par les traverses externes sont sensiblement dimi-nuées, particulièrement au cours de la phase motrice, lor-sque des eFforts de signes opposés sont transmis par les tiges des pistons moteurs externes 25a, 25b, 25c et 25d et les tirants 26a et 2Lb de liaison entre les -traverses 24, placés au droit des tiges des pistons des cylindres compresseurs 18_ et 18b. Ce-tte disposition des tirants leur permet de passer en dehors de la traverse centrale 20. Il est en conséquence possible de leur donner une constitution monobloc et d'autoriser un démontage rela-tivement aisé de la traverse 20.
Les traverses 24, comrne la traverse Z0, sont enfer-mées dans un carter 27 muni de joints coulissants livrant passage aux tiges de pistons et aux -tirants. Elles sont munies de tubes de guidage 2~ coulissant dans des paliers ~IL3~

non représentés. Ces palierr, peuvent être portés par le carter 27 ou par une cage 30 qui l'entoure et renForce le cadre portant les compresseurs.
La disposition de traverses cen-trale et externe qLIi vient d'être décrite présente des avantages importants par rapport à la disposition qui vient la première à l'esprit et qui consiste à aligner les compresseurs internes et ex-ternes.
Comme indiqué plus haut, il est nécessaire de prévoir un dispositif de synchronisation des mouvements des équi-pages. Ou fait de la grande difFérence de rigidité entre les équipages mobiles ~l'équipage interne étant monolithi-que tandis que l'équipage externe est en deux moitiés as-semblées par des tirants dont la raideur est -forcément faible), le dispositif de synchronisation est sollicité
deux fois par cycle par un effort breF mais intense.
Pour absorber cet eFFort, un accouplement élastique est prévu. Mais une élasticité excessive doit être évitée, car elle fait apparaître des problèmes de vibrations. Par ailleurs, il faut se souvenir que tout dispositif qui fait apparaître des efforts de basculement sur les systèrnes de guidage se tradui-t par des pertes mécaniques par frotte-ments accrus.
Dans le mode de réalisation illustrr de la machine suivant l'invention, ces problèmes sont écartés grâce à
un dispositif de synchronisation double qui tend à éviter les dissymétries d'effort.
Ce dispositif comprend deux roues dentées 31 ~-Figu-res 4 et 5) placées dans le plan horizon-tal médian de la machine. Chaque roue 31 engrène deux crémaillères 32 et 33.
Les crémaillères 32 sont fixées à la traverse centrale 20 tandis que les crémaillères 33 sont fixées à une des tra-verses externes 24. Les deux roues 31 sont placées d'un même côté du plan ver-tical médian de la machine pour ne pas constituer avec les tirants 26 un système hypersta-ti-que et elles sont montées sur des paliers présentant une elasticité permettant d'absorber les chors.
La fixation des différen-ts cylindres est ef-fectuée Z~5~

par des moyens qui limitent les porte-à-faux. Comme indi-qué plus haut, lss cylindres compresseurs externes lt~a et 18b sont fixés par leur face interne, voisine de la tra-verse. Cette face est -fixée par des boulons qui peuvent également servir à retenir les plaques porte-clapet, sur le cadre correspondant 13. Ce cadre, dont la pro-fondeur est voisine de l'épaisseur de la -traverse 24, est lui-même fixé entre socle 10 et sommier 11. Il est réduit en son milieu par une structure cruciforme qui sera décrite plus loin.
La rigidité de l'ensemble peut être accrue en reliant les fonds des cylindres 18a et 18b par une plaque 34 tfi-gure 1).
Il subsiste dans ce cas un porte-à-faux, mais les efforts correspondants sont négligeables comparés aux ef-forts dynamiques qui, eux, sont centrés par rapport à la fixation des compresseurs.
Ia fixation des cylindres compresseurs internes 17a et 17b pose un problème que l'on ne trouve pas dans le cas des cylindres compresseurs externes 18_ et l~b, En e-Ffet, il faut que l'accès aux injecteurs des moteurs soit pos-sible et qu'on puisse démonter les cylindres moteurs sans travaux préalables importants et de préférence en bloc.
Ce résultat est a-tteint grâce à la présence de la structure monobloc interne 12. Les cylindres compresseurs 17a et 17b sont fixés par brides sur des parties latérales de la cage 22, prévue à cet ef-Fet en tôle de forte épais-seur t40 mm par exemple).
Grâce à cette disposition, les cylindres cornpresseurs peuvent avoir une véritable symétrie de révolution en ce qui concerne les circuits d'eau de réfrigération et l'en-veloppe d'air comprimé qu'ils refoulen-t, ce qui est très favorable à la diminution des contraintes thermiques, Enfin, les cylindres moteurs 15a à 15d se placent chacun dans un des dièdres de la structure cruci-forme 14~
Ils peuvent être introduits par simple translation et ro-tation dans le plan horizontal. Ils sont ainsi introduits dans leur culotte de balayage, préalablement -fixée à la 51~
.

structure monobloo. On prévoira avantageusement, au-tour de l'enveloppe d'eau de l'anneau central oe chaque cylindre moteur, un bsrceau facilitant la fixation.
Les dispositions mécaniques qui viennent d'ê-tre ds-S crites permettent d'arrivgr à dss circuits de fluides par-ticulièrement avantagsux st psrmsttant d'utilissr des cy-cles thermodynamiques complexes, favorablss à un rsndsmsnt élevé~
On notera tout d'abord que la présence de carters 23 et 27 permet de recueillir l'huile de graissage des cous-sinets, donc de diminuer les pertes et la contamination par l'huile. L'huile est recueill.~e dans le Fond des carters 23 e-t 27 et elle est evacuée par des purgeurs autorna-tiquss avant d'être remélangée aux excédents d'huile des cylindres moteurs. ~e telles sortiss d'huile 35 et 30 apparaissent sur lss figures 3 et 4~
Cetts circulation d'sau de refroidissement des pis-tons moteurs s'efFectuera par l'intérieur des tiges de pis-tons et; des conduites portees par les travsrses. On voit apparaitre sur la figure 3 lss conduitss 37 d'amenée d'eau traitée de reFroidisssmsnt dss pistons et 3B de rstour d'eau. On retrouve également, sur la Figure 4, des con.dui-tes d'amenée 40 st de retour 41 d'eau de refroidissement des pistons moteurs externes.
La constitution qui vient d'être décrite se prête parfaiternent à la mise en oeuvre d'un double cycle avec suralimentation par turbo-souf~lantes, par exemple suivant le schéma décrit dans la demands de brevet français n 73 22 16B. Cs-tts disposition utiliss le fait que l'air comprimé directemsnt dirigé vers la turbine à gaz de dé-tsnte, additionné à l'air nécessaire pour l'sntrainsment d'uns turbo-souFflante, peu-t constitusr approximativement la moitié du débit fourni par lss comprssssurs~ Elle uti-lise égalsmsnt le fait qus, pour augmsntsr le rsndsment, il est avantagsux de produire cet air à la prsssion de marche dss motsurs, ce qui permst ds gagner, pour l'air dirsctsmsnt admis dans la -turbine de détente, la perte de charge moteur. On peut notamment utiliser une disposition 4~

comportant qUatre comDresseurs hau-te pression et qua-tre com-presseurs basse pressionO
Ce résultat eSt atteint en conservant une réparti-tion simple des collec-teurs en regroUpant les cornpresseUrs de même type quatre par quatre à chaque extrémité de la machi-ne : les compresseurs 17a, 17b, loa, l~b, placés à gauche du plan médian, constituent un premier groupe, qu'on peut considérer comme étant à haute pression (HP) ; les quatre compresseurs situés de l'autre côté peuvent être considérés comme à moysnne pression ~MP).
Tous les cylindres compresseurs aspirent de l'air à
partir des caissons constitués par la cage 22 et les cadres 13, caissons alimentés en air par une turbo-soufflante non représentée.
Les compresseurs 18a, 18b, 17a et 17b placés à gauche du plan médian, c'est-à-dire les compresseurs HP, débitent ddns descollecteurs HP 43 par des brides 44 décalées par rapport à l'axe (~igures 1 et 3). Les collecteurs 43 sont munis de réf`rigérants 45 (figure 1) et débitent dans des ~0 collecteurs de balayage 46 qui alimentent à leur tour tous les cylindres moteurs 15a-d.
L8s cylindres compresseurs MP, placés à droite du plan médian, alimentent un collecteur moyenne pression ~non représenté sur la -figure). Une -Fraction de l'air adrnis dans ~5 ce collecteur MP est envoyée à une turbine à air d'entraî-nement de la turbo-soufflante. Le reste de l'air est mélan-gé aux gaz d'échappement provenant des cylindres mo-teurs 15a-d et alimente une turbine à gaz attelée à la charge, constituée par exemple par un alternateur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Machine multi-tandem à pistons libres, comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale (20) transversale à un axe du bâti, guidé en trans-lation de façon à pouvoir se déplacer d'un mouvement alter-natif le long dudit axe, portant, de chaque côté, quatre pistons moteurs internes déplaçables le long de cylindres moteurs ( 15a-15d ) disposés aux sommets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs (17a, 17b) internes dont les axes passent hors dudit rectangle, un équipage mobile externe comprenant deux traverses externes (24) reliées par au moins un tirant (26a, 26b), portant chacune quatre pistons moteurs externes dé-plaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compres-seurs externes (18a, 18b), et des moyens de synchronisation du mouvement alternatif des deux équipages, caractérisée en ce que le bâti comporte un socle (10) et un sommier supérieur (11) reliés par au moins une struc-ture monobloc centrale sur laquelle sont fixés les cylin-dres compresseurs internes (17a, 17b).

2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la structure centrale comporte un caisson (22, 23) constituant collecteur d'admission d'air dans des compres-seurs internes, sur lesquels les compresseurs sont fixés par leur face terminale.

3. Machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le caisson comprend un carter (23) contenant la traverse centrale et muni de traversées étanches pour les tiges (29) des pistons moteurs.

4. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte deux cadres latéraux (13) sur lesquels sont fixés en bout les compresseurs ex-térieurs (18a, 18b), reliés par des structures cruciformes respectives (14) à la structure monobloc centrale.

5. Machine suivant la revendication 4, caractérisée en ce que chacun des cylindres moteurs (15a-15d) est fixé
dans l'un des dièdres de la structure cruciforme.

6. Machine suivant la revendication 1 ou 2, carac-térisée en ce que les pistons compresseurs externes sont reliés par des tirants (26a, 26b.) passant hors de la tra-verse centrale (20).

7. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque cadre (13) constitue, avec 18 socle. le sommier et un carter (27) qu'il contient et qui délimite un espace contenant la traverse externe correspondante, un collecteur d'alimentation des cylindres compresseurs exter-nes.

8. Machine suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les traverses externes sont guidées par deux ti-rants (26a, 26b) disposés dans le plan des axes des com-presseurs externes, au droit des axes de ces compresseurs (18a, 18b).

9. Machine suivant la revendication 7 , caracté-risée en ce que chaque traverse (20 ou 24) 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.

10. Machine suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de synchronisation des équipages com-portent des roues (31) engrenant des dentures ménagées sur lesdits tubes et des crémaillères de transmission, et sont symétriques de façon à améliorer le rendement de synchro-nisation.