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Machine à mouvement rotatif.
L'objet de la présente invention est une machine à mouve- ment rotatif comportant un piston en forme de disque qui tourne dans une enveloppe fixe,et constitue, avec deux arbres inclinés l'un par rapport à l'autre, un joint Cardan ce qui assure son guidage.
Ce piston en forme de disque exécute, à son mouvement rotatif dans une enveloppe fixe, des mouvements oscillatoires par rapport aux parois latérales de celle-ci. Il se forme a- lors alternativement des chambres de compression et des cham- bres d'aspiration entre les faces du piston et les parois de l'enveloppe, en ce sens que le disque ou piston se meut le long des parois fixes de l'enveloppes en restant hermétiquement ap- pliqué contre les tourillons Cardan en sorte de vaciller dans un sens et dans l'autre autour de ces tourillons.
Les arbres de ces tourillons en croisillon ont leurs appuis dans l'enveloppe qui limite latéralement et extérieure- ment les chambres de travail.
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Cette machine à mouvement rotatif convient pour servir, soit de machine motrice, soit de soufflerie, ventilateur ou compresseur, ou encore, de compteur à gaz ou à liquides ; l'ap- plication ici décrite à Titre d'exemple, se rapporte à un ven- tilateur (soufflerie) opérant le refoulement de l'air, et pou- vant, par suite de son mode de fonctionnement, convenir tout spécialement aussi pour opérer un balayage et une suralimenta- tion de moteurs à combustion interne.
Etant donné que, vu le mode de mouvement des articulations de joint Cardan, ce ne sont pas seulement les tourillons du Cardan eux-mêmes, mais aussi tous les autres diamètres du pis- ton en forme de disque qui se meuvent exclusivement dans un plan déterminé, c'est-à-dire, également autour d'un axe de ro- tation fixe, le piston n'est pas assujetti à de notables forces ou moments de forces centrifuges libres.
C'est la raison pour laquelle cette machine à mouvement rotatif avec disque-piston à la Cardan peut être commandée à des vitesses très élevées.
Le genre de mouvement de ce piston-disque à tenons d'ar- ticulations Cardan doit être différencié nettement de celui d'un disque à ballottement, étant donné, que dans ce dernier, pas tous les diamètres se meuvent dans un plan fixe dans l'es- pace, en sorte qu'il est sujet à de grandes accélérations quand il joue en va-et-vient dans la dite chambre.
La nouvelle machine à mouvement rotatif offre, en outre, ce grand avantage que le piston-disque ne tourne que dans des tourillons et que les surfaces d'étanchement du piston-disque ainsi que ses surfaces de travail qui sont exposées à l'action du fluide de compression ou de refoulement, n'ont besoin d'au- cun graissage et ne manifestent aucun effet de frottement ou d'usure.
Cette machine rotative avec piston-disque à la Cardan va être maintenant décrite en son application comme soufflerie-
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ventilateur refoulant de l'air, en référence aux figures 1 à 7 'des dessins, dans lesquels:
Fig. 1 montre une coupe longitudinale d'un ventilateur à parois d'enveloppe parallèles;
Fig. 2 montre les orifices de distribution de l'enveloppe, en une même coupe longitudinale qu'à la rig, 1, et de façon schématique;
Fig. 3 montre une coupe longitudinale d'un ventilateur ayant ses parois latérales d'enveloppe inclinées l'une par rapport à l'autre;
Fig. 4 donne une coupe transversale suivant A-A en fig.3;
Fig. 5 représente les orifices de distribution de l'en- veloppe, suivant une coupe correspondant à la fig.
3, et de façon schématique;
Fig. 6 est une coupe longitudinale d'un ventilateur selon la fig, 1, avec un arbre de commande, régnant d'ou- tre en outre et un arbre de guidage creux, le pis- ton étant déplacé de 90 par rapport à la position visible en fig. 1;
Fig. 7 donne une vue en coupe longitudinale d'un venti- lateur selon fig. 3, où. les deux arbres ont leurs appuis aux deux cotés, l'un d'eux étant conformé en arbre creux.
La figure 1 montre un ventilateur dont le piston-disque accomplit des mouvements de va-et-vient par rapport aux parois latérales fixes de l'enveloppe : en opérant la séparation des chambres d'aspiration et de refoulement le long d'un des tourillons Cardan. a désigne l'un des arbres de joint universel ou Cardan auquel se rattachent rigidement les tourillons de Cardan a2 tandis que b désigne l'autre arbre de Cardan auquel se rat- tachent rigidement les tourillons de Cardan b2. Ces arbres ont leurs appuis dans les parois latérales de l'enveloppe: par
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exemple, pour l'arbre de droite avec intervention du coussinet e5.
Les tourillons a2 et b2 sont reliés entre eux à la façon d'un joint à la cardan par le piston-disque, lequel se compose des deux moitiés clet c2 vissées l'une à l'autre.
A l'actionnement du piston-disque par un des deux arbres, a ou b les faces latérales c4 de ce piston-disque, tout en accomplissant leur mouvement de rotation se déplacent du même coup par rapport aux parois latérales dl et e de l'enveloppe.
Les faces latérales de ce piston-disque peuvent être,ou bien unies, ou bien affecter des formes répondant à des points de vue déterminés, ainsi, par exemple, être à ravalement par rap- port à la partie de surface cylindrique qui les relie, ou bien présenter un bombage vers l'extérieur. La position de ce piston qui aété tracée ici correspond à une position de point mort, produisant, par exemple, pour la chambre de course à gauche au bas un maximum f5 et à gauche en haut un minimum f3.
Il y a avantage à ménager un petit intervalle mort f2 per- mettant l'absorption de corps étrangers et la compensation pour toute imprécision dans l'exécution.
Le piston-disque tourne en assurant une étanchéité parfaite à l'intérieur des parois de pourtour d3 et el affectant la forme d'une zone de sphère creux et il est lui-même à pourtour sphéri- que.
Le piston-disque, tout en accomplissant sa rotation, exé- cute un vacillement autour des tourillons de joint Cardan a2.
Il se produit ainsi, à chaque côté de ce piston, deux espaces de courses, lesquels augmentent et diminuent alternativement en sens opposés. Les espaces de course oscillante de chacun des côtés sont séparés par les surfaces de parties de cylindre (tracées en pointillé) c6 dans la direction des tourillons a2 constituant en même temps l'axe de ce cylindre; Cette partie de paroi cylindrique c6 existant entre les deux faces latérales
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plates c4 reste toujours en contact intime le long de la paroi de côté, son guidage étant effectué par les tourillons a et leur arbrea qui a son palier verticalement dans la moitié de gauche d1. L'arbre et les tourillons a2 font donc respective- ment fonction d'arbre de guidage ou tourillons de guidage pour le jeu du piston-disque.
Contrairement à cela, l'arbre de droite b avec ses touril- lons b2 sert à produire les courses du piston-disque ; arbre absorbe tout d'abord la charge exercée sur les faces latérales par le fluide de refoulement.
Le coté de gauche du piston, en haut, agit dans le même sens que le cote de droite du piston en bas, et vice-versa, C'est pourquoi il est possible de relier ces chambres de cour- ses coopérant l'une avec l'autre, en pratiquant des canaux dans le piston-disque, en vue d'équilibrer les pressions.
Etant donné que la paroi de pourtour sphérique de ce piston-disque s'étend entre les faces latérales c4 qui sont dirigées à angle l'une avec l'autre elle varie de largeur; c'est par suite de ces inégalités de largeur de cette paroi qu'il est possible, à mesure que ce piston accomplit ses cour- ses et ses rotations, de commander l'admission et l'échappement du fluide dans l'intérieur de l'enveloppe, en de et el.
La fige 2 montre aux fins d'expliquer cette commande de façon schématique, la marne coupe longitudinale de l'enveloppe que celle de la fig. 1 et le piston-disque y est tracé en traits interrompus ; d1 y désigne la paroi latérale de gauche de l'en- veloppe, tandis que d3 désigne la paroi de gauche au pourtour; la séparation étant faite par le plan I-I, e est la pqroi laté- rale de droite de l'enveloppe, tandis que e7 en est la paroi de droite au pourtour; a désigne l'arbre de guidage et b l'ar- bre des courses rectilignes.
Pour le sens de rotation du ventilateur indiqué par la flèche, dg désigne un orifice d'admission pratiqué dans la
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paroi de pourtour d3 pour le coté de gauche du piston-disque.
A chaque,face, l'orifice d'admission et celui d'échappement sont égaux l'un à l'autre, et se font vis-à-vis; eg est un orifice d'échappement correspondant dans la paroi de droite au pourtour e7 pour les chambres de travail du fluide se trou- vant du c8té de droite du disque. Dans la position de point mort qui est indiquée, tous les conduits de distribution sont masqués par la largeur de la paroi de pourtour du piston-disque,
C'est de cette distribution séparée, donc, individuelle pour les deux cotes de ce piston, que résulte la possibilité d'un fonctionnement opéré séparément en ce qui concerne la nature du fluide refoulé ainsi que sa pression, sa quantité et sa destination d'emploi.
Ce qui peut aussi se faire, dans le but de modifier le débit au refoulement, c'est de court- circuiter la distribution de l'admission et celle de l'échap- pement d'un coté, c'est à dire en sorte que ce côté du pis- ton-disque puisse renvoyer du fluide dans le conduit d'aspi- ration sans qu'il y ait de grande fuites.
Si l'échappement ne commence qu'après accomplissement d'un angle de rotation déterminé après course d'aspiration complète, c'est qu'il s'est produit une diminution d'espace et, conséquemment, une compression avec accroissement de pres- sion de la charge. De cette façon, il n'y a que de petites pressions- de compression obtenables dans le ventilateur même, car quand la libération des conduits d'échappement à lieu très tard, leurs sections deviennent petites.
L'on peut, toutefois, pratiquer la compression à des pressions plus élevées, et, en même temps, éviter un coup de bélier par retour d'air sous pression dans le ventilateur, si l'on renonce à faire opérer la distribution de l'échappement par le piston-disqus lui-même, en utilisant, en son lieu et place, des cannaux d'échappement spéciaux, pratiqués dans les 'parois latérales de l'enveloppe, et soumis au contrôle de ti-
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roirs rotatifs qui tourneraient avec les arbres. En ce cas, il convient que seule l'admission soit encore régie par le piston-disque (c'est l'inverse quand on fait marcher la ma- chine comme moteur). Dans la fig, 1,a3désigne un de ces ti- roirs A rotation, lequel, par exemple, n'a été tracé que du cote gauche.
Il est avantageux de faire servir alors les creux d5 de l'enveloppe comme conduits d'échappement.
Pour effectuer son mouvement vacillatoire autour des tourillons de guidage a2 le piston-disque doit, à cause de l'arbre qui y pénètre, avoir une ouverture c3 laquelle sera, par exemple, masquée, par le collet sphérique d'arbre a1, de telle sorte que jamais les chambres de refoulement et d'aspi- ration ne puissent communiquer l'une avec l'autre.
Du cité de droite, là où l'arbre b entre obliquement dans la paroi latérale, il doit être pourvu d'un évidement dans la direction de l'enveloppe cylindrique ; c'est pourquoi il a été prévu, latéralement au disque une zone sphérique c5 qui joue dans un évidement sphérique de la paroi latérale e en restant hermétiquement appliquée contre elle. Il va sans dire que pareille zône sphérique pourrait exister aussi au coté de gauche du piston-disque en supposant que l'échappement ne soit pas sous le contrôle d'un tiroir à rotation.
Contrairement à la machine à mouvement rotatif selon la fig. 1, qui effectue le refoulement de faon analogue à ce que ferait une pompe monocylindrique à double effet, l'exécution pratiquée selon les figures 2 et 4 assure un refoulement à débit complètement uniforme. A cette fin, les courses opéran- tes de l'un des cotés du piston-disque, sont, par rapport à celles de l'autre côté, décalées de 90 degrés, en sorte que l'ensemble des deux assure un débit ae refoulement absolument uniforme. Ce résultat est obtenu du fait que la séparation des chambres de refoulement et d'aspiration se fait, d'un coté le long d'un des tourillons de Cardan, à l'autre côté suivant
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l'autre tourillon.
C'est ce qui réalise du même coup un moment uniforme pour la force de la commande,
Le mode de fonctionnement, à chaque côté du piston-disque, est le même que dans le cas de la fig, l, seulement, les deux moitiés de disque .±1 et .±2 qui sont tout à fait identiques entre elles, ont été décalées mutuellement de 90 dans le plan médian du piston-disque, c'est à-dire dans le plan des tourillons de Cardan.
En figure 3,a désigne l'un des arbres inclinés, avec tourillons de joint à croisillon a2, tandis que b désigne l'autre arbre incliné avec les tourillons b2; c1 désigne la moitié de gauche du disque tandis que c2 en est la moitié de droite. La moitié de gauche du disque est hermétiquement appli- qué contre la paroi latérale plane d1, la long du tourillon a2 tandis que la moitié de droite du disque est appliqué hermé- tiquement suivant le tourillon b2 contre la paroi latérale de droite de l'enveloppe. De ce que les moitiés de disque sont mutuellement décalées de 90 il résulte aussi le déca- lage également de 90 des courses opérantes à l'un des côtés par rapport à celles de l'autre coté.
Les deux parois latérales de l'enveloppe ne sont point parallèles comme dans l'exemple de la fig, 1, elles sont plu- tôt inclinées l'une par rapport à l'autre. Les deux arbres a et b sont chacun placés perpendiculairement dans la paroi d'enveloppe correspondante . Ils ne diffèrent pas quant à leur mode (l'action; chacun des arbres fait office d'arbre de c)urse rectiligne pour la face de piston-disque opposée et d'arbre de guidage pour la face de disque qui lui est propre.
Les pressions de fluide gazeux exercées sur les deux cités du disque se contrebalancent à moitié; le moment dû à la force gazeuse se répartit uniformément sur les deux arbres.
Il ne s'exerce pas d'efforts axiaux indépendants durant le mouvement de course rectiligne de ce disque ; lesforces axia-
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les ne peuvent intervenir que pour un petit laps de temps, au passage par le point mort, quand les courses de refoule- ment se confondent avec celles d'aspiration, Ces forces axia- les peuvent d'ailleurs être absorbées en donnant aux arbres des appuis sous formé de crapaudines à grain.
Ce ventilàteur peut être composé de parties exactement les mêmes aux deux côtés par rapport au plan médian II-II.
L'admission et l'échappement sont également commandés par les mouvements de courses rectilignes et de rotation et par le fait des différences de largeur de la paroi de pourtour du piston-disque le long de la paroi de pourtour. La fig. 5 présente les orifices de distribution pour une coupe longitu- dinale du ventilateur pareille à celle de la fig. 3 mais en vue schématique. Ici, la position du piston est indiquée par une ligne de traits interrompus. L'orifice de distribution d10 est, pour le sens de rotation indiqué par la flèche, un orifice d'admission. Alors que, dans l'exécution selon la fig.
1 les conduits d'admission et d'échappement sont disposés sé- parément, dans celle selon les figures 3-5 il y a réunion des deux orifices, pour admission et pour échappement, ou canaux d'admission et d'échappement aux deux c8tés du piston-disque, dans la paroi fixe de l'enveloppe, en sorte de n'avoir qu'un orifice unique d'admission et d'échappement.
Les canaux d'admission et d'échappement donnant lieu à de grandes sections de passage, seront, avec avantage, placés tangentiellementjà l'enveloppe, aux fins d'empêcher les pertes de charge lors de brusques changements de direction.
Ce qui peut aussi se faire, c'est d'avoir les orifices d'admission et d'échappement dans des ouvertures séparément pour chaque face du piston-disque, en sorte que chacun des côtés pourra individuellement fonctionner et débiter des fluides différents.
Ce ventilateur ne peut opérer la compression qu'à des
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pressions intérieures peu élevées. Quand il s'agit de hautes pressions il peut être fait emploi de tiroirs rotatifs ad- joints aux arbres obliques, comme indiqué en fige 1.
Dans ce mode d'exécution également, il faut que les évi- dements pratiqués flâna le piston-disque pour les deux arbres qui sortent soient recouverts. Dans la fig. 3 deux possibili- tés différentes sont représentées pour réaliser l'étanchéité et chacune des deux peut servir pour les deux côtés du Piston disque.
Au cote de gauche, cette étanchéité est assurée, par exem- ple, au moyen d'une embase sphérique a1 de ]*arbre a, Le côté de droite montre un autre exemple, à savoir, celui où il est fait emploi d'une coquille sphérique fixe e5 rattaché au cous- sinet e8. Cette exécution qui n'a pas été représentée en fig.4 pour ne pas compromettre la netteté, offre un avantage en ce que l'arbre oblique a son appui le plus pros possible du point central du joint articulé. Dans l'exécution selon la fig. 4, l'embase de l'arbre assure l'étanchéité aux aeux côtés. Cette étanchéité peut être aussi réalisée aux deux cotés des évide- ments, par l'emploi de bassinets sphériques adjoints au pis- ton-disque latéralement à lui, comme c'est visible en c dans la fig. 1, côté de droite.
De plus, afin d'obtenir une meil- leure étanchéité l'on peut toujours adapter entre les deux tourillons d'arbre une cloison intercalaire, par exemple, une tle, reliée à demeure à ce piston ,
Dans les modes d'exécution décrits jusqu'ici le joint Cardan a la conformation telle que chacun des deux arbres s'engage ar ses tourillons dans des évidements correspondants de l'autre arbre. Dans les figures 6 et7 d'autres possibilités d'exécution sont représentées, particulièrement en ce qui concerne les appuis des arbres et le guidage du piston-disque.
L'on peut voir, aux fig, 1,3 et 4, que le piston-disque aurait aussi son guidage entre les parois de l'enveloppe si
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l'un des deux arbres obliques était supprimé, Conséquemment, cet arbre pourrait être remplace par l'enveloppe elle-même, en ce sens que le piston-disque, serait tenu par les parois latérales de l'enveloppe même ou bien par des paliers-guides qui y seraient rapportés. Ce guidage peut s'effectuer avec intervention du tourillon de joint articulé de l'arbre man- quant, et, à cette fin, ce tourillon prendra appui sur des paliers-crapaudines plaoés dans les parois latérales, par des contre-appuis traversant le piston-disque. Ces paliers-crapau- dines pourront, en l'occurence, se disposer soit à un seul, soit aux deux côtés.
L'on peut même supprimer ce tourillon, lorsque le piston-disque, avec la pièce de liaison cylindri- que de ses faces latérales se meuvent directement dans les parois latérales de l'enveloppe ou bien dans des supports en crapaudines qui y seraient rapportés. Alors, l'arbre oblique restant serait, en tant qu'arbre moteur, placé à un cité seu- lement du disque, c'est-à-dire dans une paroi latérale de l'enveloppe. En ce cas, pour assurer le centrage de ce piston- disque il est adéquat de faire jouer les tourillons de Cardan dans des paliers en crapaudine qui y sont adjoints. Quand il s'agit d'une exécution avec parois latérales parallèles de l'enveloppe, l'arbre oblique, grâce à la façon favorable dont il prend appui, fait office d'arbre à courses rectilignes, et alors il absorbe aussi les moments des forces sollicitant le piton-disque.
Il y a encore une autre possibilité pour exécuter le piston-disque et lui donner appui si l'un des arbres obliques est conformé en arbre creux, avec des tourillons d'articula- tion, et est traversé en sens axial par l'autre arbre oblique, et en sens radial par ses tourillons d'articulation. Les tou- rillons d'articulation de ces deux arbres sont alors rattachés par le disque de telle façon qu'ils aient toujours leur inter- seotion sous un angle droit et que, avec leurs arbres respec-
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tifs, ils constituent cette fois encore un joint articulé à la Cardan.
La fig. 6 représente un ventilateur rotatif pourvu d'ar- bres de ce genre, le mode de fonctionnement étant conçu selon la fige 1. L'arbre b3-b4 régnant d'outre en outre à ses appuis aux deux côtés dans l'enveloppe, notanment, dans des flasques porte-paliers réglables k. Il porte le tourillon de Cardan b à introduire pour passer d'outre en outre, lequel permet le montage de cet arbre de traverse dans un arbre creux pouvant être constitué d'une seule pièce. L'arbre creux i qui, par exemple, forme ici une seule pièce avec les tourillons i3 a ses appuis aux deux ctés dans des paliers il et i2. Les tou- rillons b 2et i3 sont rattachés entre eux par le piston-disque qui se compose des deux moitiés .21 et c 2.
Par rapport à la position représentée e fig. l, le pis- ton-disque a été tourné de 90 et a été découpé suivant le tourillon 13 de l'arbre de guidage. En cet exemple-ci, l'ar- bre de traverse est, avec avantage, utilisé comme arbre des courses rectilignes et l'arbre creux 1 comme arbre de guidage, ceci, parce qu'alors l'arbre à courses rectilignes b3-b4 régnant d'outre en outre et absorbant toutes les forces du fluide gazeux, est tenu dans des paliers très écartés entre eux, et garce que, pour l'arbre à courses rectilignes, l'é- ventualité d'usures ou de ploiements à la mise en marche n'auraient aucune influence.
La fig. 7 fait voir un ventilateur du mode de construc- tion selon les fig.2 et 4, où les deux arbres ont leurs ap- puis chacun aux deux ctés dans l'enveloppe ; et alors, en ana- logie avec le cas de la fig. 6, l'un des deux arbres est un arbre moteur régnant d'outre en outre, h1- h2 avec tourillons à la Cardan 1,1 tandis que l'autre est exécuté comme arbre 3 creux i avec tourillons Cardan i3. Le piston-disque, qui se compose des deux moitiés c1 et rattache ces tourillons h3
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et i3 pour former un joint articulé à la Cardan.
L'arbre h1- h2 prend,par exemple, ses appuis aux deux côtés de façon mobile en sens axial dans des rlasques porte- paliers réGlables )s avec le concours des coussinets k1 et k2 tandis que l'arbre creux i est guidé aux deux ctés, axiale- ment, dans des paliers i1 et i2. L'arbre creux i est de con- formationsphérique telle que i4 afin de permettre à l'arbre creux et au piston-disque d'osciller autour des tourillons i3.
En même temps, étant donné que les évidements i7 prati- qués pour le mouvement des tourillons h3 par rapport à l'ar- bre creux, sont recouverts soit constamment soit par alter- nances, on empêche que les chambres de course rectiligne au côté de droite du piston-disque communiquent entre elles par un trajet passant par ces évidements, Au cote de gauche, où, contrairement au côté de droite, l'arbre creux entre obliquement dans la paroi d1 de l'enveloppe, les espaces de courses et l'intérieur de l'arbre creux sont rendus constam- ment étanches latéralement au piston-disque grâce à la calot- te sphérique u. Cette calotte sphérique est installée dans un logement fraisé latéralement dans le piston-disque, et elle se meut dans une concavité sphérique de la paroi gau- che de l'enveloppe.
Pour assurer le mouvement réciproque de l'arbre creux et de cette calotte, cette dernière est aménagée d'un évidement u1 qui reste toujours masqué par la paroi de l'enveloppe.
Afin d'accroître le débit de refoulement, on peut en- oore employer une ou plusieurs paires de ces pistons-disques jouant dans une enveloppe, leurs disques tournant ensemble, mais, leurs mouvement rectilignes étant, par contre, exé- cutés en opposition l'un à l'autre, chacun de ces disques pouvant se mouvoir entre deux parois d'enveloppe fixes, ou encore, les disques pourraient être en contact intime par leurs parties de surfaces latérales cylindriques.
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En lieu et place des exemples d'exécution représentés jusqu'ici avec emploi de paliers à glissement, ces derniers pourraient aussi bien pour donner appuis aux arbres et aux tourillons être des roulements à billes, ou à rouleaux, ou des paliers à aiguille. Quant au graissage des tourillons, il aurait lieu, de façon adéquate, grâce à des perforations de l'arbre même; l'on pourrait aussi recourir à un graissage à circulation, en ce sens que l'huile serait reprise par des bagues tournant avec l'arbre.
Quand le ventilateur est accouplé avec une autre machine, soit, par exemple, avec un moteur électrique ou bien avec une machine motrice thermique, l'arbre de cette machine pourrait servir en même temps d'arbre oblique de la machine à mouvement rotatif: alors, cet arbre, et ses paliers absorberaient en même temps les moments des forces sollicitant le disque à la Cardan.
Lors de la commande de la soufflerie à l'aide d'un train multiplicateur, par exemple par engrenages ou chaîne, l'arbre de commande oblique peut avec avantage être supporté dans deux paliers séparés recueillant le moment de force de l'ar- bre par la charge du gaz du piston-disque, la roue dé commande se trouvant sur l'arbre entre les deux paliers.
Le ventilateur ainsi conçu est d'un grand rendement ef- fectif, ce qui est notamment dû au fait qu'il fonctionne à compression intérieure et comporte de grandes sections de passage pour l'admission et l'échappement. Le courant de fluide est uniforme et non sujet à de brusques changements de direction. Des surfaces qui glisseraient l'une sur l'au- tre en raison d'une pression de fluide gazeux ne sont pas présentés, Tous les efforts sont absorbés par les tourillons et les paliers. Comme le piston-disque présente quatre cham- bres de mouvement rectiligne, il est de construction relati- vement peu encombrante et peu coûteuse.
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Rotary motion machine.
The object of the present invention is a machine with rotary motion comprising a disc-shaped piston which rotates in a fixed casing, and constitutes, with two shafts inclined with respect to each other, a Cardan joint. which ensures its guidance.
This disc-shaped piston performs, in its rotary movement in a fixed envelope, oscillatory movements relative to the side walls thereof. Compression chambers and suction chambers are then formed alternately between the faces of the piston and the walls of the casing, in the sense that the disc or piston moves along the fixed walls of the envelopes by remaining hermetically pressed against the cardan journals so as to wobble in one direction and in the other around these journals.
The shafts of these cross-shaped journals have their support in the casing which laterally and externally limits the working chambers.
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This rotary motion machine is suitable for use either as a driving machine, or as a blower, fan or compressor, or even as a gas or liquid meter; the application described here by way of example, relates to a fan (blower) operating the delivery of the air, and being able, by virtue of its mode of operation, also be especially suitable for operating sweeping and supercharging of internal combustion engines.
Since, given the mode of movement of the universal joint joints, it is not only the universal joint journals themselves, but also all other diameters of the disc-shaped piston which move exclusively in a determined plane , that is to say, also around a fixed axis of rotation, the piston is not subjected to appreciable forces or moments of free centrifugal forces.
This is the reason why this rotary motion machine with cardan disc piston can be controlled at very high speeds.
The kind of movement of this piston-disc with tenons of Cardan joints must be clearly differentiated from that of a sloshing disc, since, in the latter, not all the diameters move in a fixed plane in the 'space, so that it is subject to great accelerations when it plays back and forth in said chamber.
The new rotary motion machine also offers the great advantage that the piston-disc only rotates in journals and that the sealing surfaces of the piston-disc as well as its working surfaces which are exposed to the action of compression or delivery fluid, need no lubrication and show no friction or wear effects.
This rotary machine with piston-disc at the Cardan shaft will now be described in its application as a blower-
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fan delivering air, with reference to Figures 1 to 7 'of the drawings, in which:
Fig. 1 shows a longitudinal section of a fan with parallel casing walls;
Fig. 2 shows the distribution orifices of the casing, in the same longitudinal section as in the rig, 1, and schematically;
Fig. 3 shows a longitudinal section of a fan having its casing side walls inclined with respect to one another;
Fig. 4 gives a cross section along A-A in fig.3;
Fig. 5 shows the dispensing orifices of the envelope, in a section corresponding to FIG.
3, and schematically;
Fig. 6 is a longitudinal section of a fan according to fig, 1, with a control shaft, further ruling and a hollow guide shaft, the piston being moved 90 from the visible position. in fig. 1;
Fig. 7 gives a view in longitudinal section of a fan according to FIG. 3, where. the two shafts have their supports on both sides, one of them being shaped as a hollow shaft.
Figure 1 shows a fan whose piston-disc performs reciprocating movements relative to the fixed side walls of the casing: by separating the suction and discharge chambers along one of the journals Cardan. a designates one of the universal joint or Cardan shafts to which the Cardan journals a2 are rigidly attached, while b designates the other Cardan shaft to which the Cardan journals b2 are rigidly attached. These trees have their support in the side walls of the envelope: by
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example, for the right shaft with intervention of bearing e5.
The journals a2 and b2 are connected to each other in the manner of a universal joint by the piston-disc, which consists of the two wedge halves c2 screwed together.
When the piston-disc is actuated by one of the two shafts, a or b the side faces c4 of this piston-disc, while performing their rotational movement, move at the same time relative to the side walls dl and e of the envelope.
The lateral faces of this piston-disc can be, either united, or else affect shapes corresponding to determined points of view, thus, for example, to be facelifted with respect to the part of cylindrical surface which connects them, or present an outward curvature. The position of this piston which has been traced here corresponds to a neutral position, producing, for example, for the race chamber on the left at the bottom a maximum f5 and on the left at the top a minimum f3.
It is advantageous to provide a small dead interval f2 allowing the absorption of foreign bodies and the compensation for any imprecision in the execution.
The piston-disc rotates ensuring a perfect seal inside the peripheral walls d3 and el, affecting the shape of a hollow sphere zone, and it itself has a spherical periphery.
The piston-disc, while performing its rotation, wiggles around the universal joint journals a2.
There are thus produced, on each side of this piston, two travel spaces, which increase and decrease alternately in opposite directions. The oscillating stroke spaces on each of the sides are separated by the surfaces of cylinder parts (drawn in dotted lines) c6 in the direction of the journals a2 constituting at the same time the axis of this cylinder; This part of cylindrical wall c6 existing between the two side faces
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plates c4 always remains in intimate contact along the side wall, its guidance being performed by the journals a and their shaft which has its bearing vertically in the left half d1. The shaft and the journals a2 therefore respectively function as a guide shaft or guide journals for the piston-disc clearance.
Contrary to this, the right shaft b with its journals b2 serves to produce the strokes of the piston-disc; shaft first absorbs the load exerted on the side faces by the delivery fluid.
The left side of the piston, at the top, acts in the same direction as the right side of the piston at the bottom, and vice versa. This is why it is possible to connect these running chambers cooperating with one another. the other, by making channels in the piston-disc, in order to balance the pressures.
Given that the wall of spherical periphery of this piston-disc extends between the side faces c4 which are directed at an angle with one another, it varies in width; it is as a result of these inequalities in the width of this wall that it is possible, as this piston completes its strokes and rotations, to control the admission and the exhaust of the fluid into the interior of the 'envelope, in de and el.
Fig. 2 shows for the purposes of explaining this command schematically, the marl in longitudinal section of the casing as that of fig. 1 and the piston-disc is drawn therein in broken lines; d1 y denotes the left side wall of the envelope, while d3 denotes the left side wall around it; the separation being made by the plane I-I, e is the right side pqroi of the envelope, while e7 is the right wall around it; a designates the guide shaft and b the shaft of straight strokes.
For the direction of rotation of the fan indicated by the arrow, dg designates an inlet hole made in the
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perimeter wall d3 for the left side of the piston-disc.
On each side, the inlet and the exhaust port are equal to each other, and face each other; eg is a corresponding exhaust port in the right wall at the periphery e7 for the fluid working chambers located on the right side of the disc. In the neutral position which is indicated, all the distribution ducts are masked by the width of the perimeter wall of the piston-disc,
It is from this separate distribution, therefore, individual for the two sides of this piston, that results the possibility of an operation operated separately as regards the nature of the discharged fluid as well as its pressure, its quantity and its destination. employment.
What can also be done, with the aim of modifying the discharge flow, is to short-circuit the distribution of the inlet and that of the exhaust on one side, i.e. that this side of the piston-disc can return fluid to the suction line without any major leaks.
If the exhaust does not start until after a certain angle of rotation has been achieved after the complete suction stroke, it means that there has been a decrease in space and, consequently, a compression with increased pressure. load sion. In this way, there are only small compressive pressures obtainable in the fan itself, because when the release of the exhaust ducts takes place very late, their sections become small.
One can, however, practice the compression at higher pressures, and, at the same time, avoid a water hammer by return of air under pressure in the ventilator, if one does not have to operate the distribution of l exhaust by the piston-discs itself, using, in its place and place, special exhaust channels, made in the side walls of the casing, and subjected to the control of ti-
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rotating roirs which would rotate with the trees. In this case, only the intake should still be governed by the piston-disc (the reverse is the case when the machine is operated as a motor). In fig, 1, a3 denotes one of these rotating drawers, which, for example, has been drawn only on the left side.
It is advantageous to then use the hollow d5 of the casing as exhaust ducts.
To effect its vacillating movement around the guide journals a2, the piston-disc must, because of the shaft entering it, have an opening c3 which will, for example, be masked by the spherical shaft collar a1, so so that the delivery and suction chambers can never communicate with each other.
From the city on the right, where the shaft b enters obliquely into the side wall, it must be provided with a recess in the direction of the cylindrical casing; this is why it has been provided, laterally to the disc, a spherical zone c5 which plays in a spherical recess of the side wall e while remaining hermetically applied against it. It goes without saying that such a spherical zone could also exist on the left side of the piston-disc, assuming that the exhaust is not under the control of a rotating spool.
Unlike the rotary motion machine according to fig. 1, which performs the delivery in a manner similar to what a single-cylinder double-acting pump would do, the execution carried out according to Figures 2 and 4 ensures delivery at a completely uniform rate. To this end, the operative strokes on one side of the piston-disc are, with respect to those on the other side, offset by 90 degrees, so that the set of the two provides a delivery rate. absolutely uniform. This result is obtained from the fact that the separation of the delivery and suction chambers takes place, on one side along one of the Cardan journals, on the other side following
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the other journal.
This is what simultaneously achieves a uniform moment for the force of the control,
The mode of operation, on each side of the piston-disc, is the same as in the case of fig, l, only the two halves of the disc. ± 1 and. ± 2 which are completely identical to each other, have been mutually offset by 90 in the median plane of the piston-disc, that is to say in the plane of the Cardan journals.
In FIG. 3, a denotes one of the inclined shafts, with the spider joint journals a2, while b denotes the other inclined shaft with the journals b2; c1 designates the left half of the disk while c2 is the right half. The left half of the disc is tightly pressed against the flat side wall d1 along the journal a2 while the right half of the disc is tightly pressed along the journal b2 against the right side wall of the casing . The fact that the disc halves are mutually offset by 90 also results in the offset also by 90 of the strokes operating on one side relative to those on the other side.
The two side walls of the casing are not parallel as in the example of FIG. 1, they are rather inclined with respect to one another. The two shafts a and b are each placed perpendicularly in the corresponding envelope wall. They do not differ in their mode (the action; each of the shafts acts as a rectilinear heart shaft for the opposite piston-disc face and as a guide shaft for its own disc face.
The gaseous fluid pressures exerted on the two cities of the disc are half counterbalanced; the moment due to the gas force is distributed evenly over the two shafts.
No independent axial forces are exerted during the rectilinear running movement of this disc; lesforces axia-
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The axial forces can only intervene for a short period of time, when passing through neutral, when the delivery strokes merge with those of suction. These axial forces can moreover be absorbed by giving the shafts supports in the form of grain sliders.
This fan can be made up of exactly the same parts on both sides with respect to the median plane II-II.
The intake and exhaust are also controlled by the rectilinear and rotational stroke movements and by the differences in width of the perimeter wall of the piston-disc along the perimeter wall. Fig. 5 shows the distribution orifices for a longitudinal section of the fan similar to that of FIG. 3 but in schematic view. Here, the position of the piston is indicated by a dashed line. The distribution orifice d10 is, for the direction of rotation indicated by the arrow, an inlet orifice. While, in the execution according to FIG.
1 the intake and exhaust ducts are arranged separately, in the one according to figures 3-5 there is a union of the two orifices, for intake and for exhaust, or intake and exhaust channels on both sides piston-disc, in the fixed wall of the casing, so as to have only a single inlet and exhaust port.
The intake and exhaust ducts giving rise to large passage sections will be advantageously placed tangentially to the casing, in order to prevent pressure losses during sudden changes of direction.
What can also be done is to have the intake and exhaust ports in openings separately for each face of the piston-disc, so that each side can individually operate and deliver different fluids.
This fan can only compress at
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low internal pressures. When it comes to high pressures, use can be made of rotary spools attached to the oblique shafts, as shown in fig 1.
Also in this embodiment, the recesses made in the piston-disc for the two protruding shafts must be covered. In fig. 3 two different possibilities are shown for sealing and each of them can be used for both sides of the disc piston.
On the left side, this seal is ensured, for example, by means of a spherical base a1 of] * shaft a. The right side shows another example, namely, the one in which a spherical base is used. fixed spherical shell e5 attached to the e8 bearing. This execution, which has not been shown in fig.4 so as not to compromise the sharpness, offers an advantage in that the oblique shaft has its support as far as possible from the central point of the articulated joint. In the execution according to fig. 4, the base of the shaft seals the two sides. This sealing can also be achieved on both sides of the recesses, by the use of spherical basins added to the piston-disc laterally to it, as can be seen at c in fig. 1, right side.
In addition, in order to obtain a better seal, an intermediate partition, for example, a plate, permanently connected to this piston, can always be fitted between the two shaft journals,
In the embodiments described so far, the Cardan joint has the conformation such that each of the two shafts engages its journals in corresponding recesses of the other shaft. In Figures 6 and 7 other possibilities of execution are shown, particularly as regards the bearings of the shafts and the guiding of the piston-disc.
It can be seen, in figs, 1, 3 and 4, that the piston-disc would also have its guide between the walls of the casing if
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one of the two oblique shafts was deleted, Consequently, this shaft could be replaced by the casing itself, in that the piston-disc, would be held by the side walls of the casing itself or by bearings -guides which would be reported there. This guidance can be carried out with the intervention of the articulated joint journal of the missing shaft, and, for this purpose, this journal will be supported on the slider bearings placed in the side walls, by counter-supports passing through the piston. -disk. These bearings can, in this case, be arranged either on one side or on both sides.
This journal can even be omitted, when the piston-disc, with the cylindrical connecting piece of its lateral faces, move directly in the lateral walls of the casing or else in the slider supports which are attached thereto. Then, the remaining oblique shaft would, as a driving shaft, be placed at one city of the disc, i.e. in a side wall of the casing. In this case, to ensure the centering of this piston-disc, it is appropriate to make the Cardan journals play in the crapaudine bearings which are added thereto. When it comes to an execution with parallel side walls of the casing, the oblique shaft, thanks to the favorable way in which it rests, acts as a shaft with rectilinear strokes, and then it also absorbs the moments of forces requesting the peak disc.
There is still another possibility to execute the piston-disc and to give it support if one of the oblique shafts is formed as a hollow shaft, with articulation journals, and is traversed axially by the other shaft. oblique, and in the radial direction by its articulation journals. The articulation journals of these two shafts are then attached by the disc in such a way that they always have their inter- seotion at a right angle and that, with their respective shafts
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tif, they again constitute an articulated joint to the Cardan.
Fig. 6 shows a rotary fan provided with shafts of this kind, the mode of operation being designed according to fig 1. The shaft b3-b4 reigns in addition to its supports on both sides in the casing, in particular , in adjustable bearing flanges k. It carries the Cardan journal b to be introduced to pass from furthermore, which allows the mounting of this cross shaft in a hollow shaft which can be made from a single piece. The hollow shaft i which, for example, here forms a single piece with the journals i3 has its supports on both sides in bearings il and i2. The journals b 2 and i3 are connected to each other by the piston-disc which consists of the two halves .21 and c 2.
With respect to the position shown in fig. 1, the piston disc was turned 90 and cut along the journal 13 of the guide shaft. In this example, the transverse shaft is advantageously used as a straight stroke shaft and the hollow shaft 1 as a guide shaft, because in this case the straight stroke shaft b3-b4 reigning in addition and absorbing all the forces of the gaseous fluid, is held in bearings very apart from each other, and because, for the shaft with rectilinear strokes, the eventuality of wear or bends at the switching on would have no influence.
Fig. 7 shows a fan of the construction mode according to Figs. 2 and 4, where the two shafts each have their support on both sides in the casing; and then, in analogy with the case of FIG. 6, one of the two shafts is a driving shaft in addition, h1-h2 with Cardan journals 1.1 while the other is executed as a hollow shaft i with Cardan journals i3. The piston-disc, which consists of the two halves c1 and connects these journals h3
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and i3 to form an articulated joint to the Cardan.
The shaft h1- h2 takes, for example, its supports at both sides in an axially movable manner in adjustable bearing plates) s with the assistance of the bearings k1 and k2 while the hollow shaft i is guided at both sides. sides, axially, in bearings i1 and i2. The hollow shaft i is of spherical conformation such as i4 in order to allow the hollow shaft and the piston-disc to oscillate around the journals i3.
At the same time, since the recesses i7 made for the movement of the journals h3 with respect to the hollow shaft, are covered either constantly or alternately, the rectilinear stroke chambers next to right side of the piston-disc communicate with each other by a path passing through these recesses, On the left side, where, unlike the right side, the hollow shaft enters obliquely into the wall d1 of the casing, the travel spaces and the The interior of the hollow shaft are permanently sealed laterally to the piston-disc by means of the spherical cap u. This spherical cap is installed in a housing milled laterally in the piston-disc, and it moves in a spherical concavity of the left wall of the casing.
To ensure the reciprocal movement of the hollow shaft and of this cap, the latter is provided with a recess u1 which always remains hidden by the wall of the casing.
In order to increase the delivery rate, one can still employ one or more pairs of these piston-discs playing in an envelope, their discs rotating together, but, their rectilinear movements being, on the other hand, executed in opposition. 'to one another, each of these discs being able to move between two fixed casing walls, or else the discs could be in intimate contact by their parts of cylindrical side surfaces.
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Instead of the embodiments shown hitherto with the use of sliding bearings, the latter could just as well to give support to the shafts and journals be ball bearings, or roller bearings, or needle bearings. As for the lubrication of the journals, it would take place, in an adequate manner, thanks to perforations of the shaft itself; recourse could also be had to circulating lubrication, in the sense that the oil would be taken up by rings rotating with the shaft.
When the fan is coupled with another machine, either, for example, with an electric motor or with a thermal motor machine, the shaft of this machine could serve at the same time as an oblique shaft of the rotary motion machine: then , this shaft, and its bearings would absorb at the same time the moments of the forces requesting the cardan disk.
When controlling the blower by means of a gear train, for example by gears or chain, the oblique drive shaft can advantageously be supported in two separate bearings which collect the torque of the shaft. by the gas charge of the piston-disc, the control wheel located on the shaft between the two bearings.
The fan thus designed is of a high effective efficiency, which is in particular due to the fact that it operates with internal compression and has large passage sections for the intake and the exhaust. The fluid flow is uniform and not subject to sudden changes in direction. Surfaces which would slide over each other due to gaseous fluid pressure are not shown. All forces are absorbed by the journals and bearings. Since the piston-disc has four chambers of rectilinear motion, it is of relatively compact and inexpensive construction.