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Machines tandem à pistons libres.
L'invention est relative' aux machines tandem à pistons libres, c'est-à-dire aux machines comportant deux cylindres moteurs alignés, dans chacun desquels travaillent deux pistons moteurs libres opposés.
Les pistons moteurs (pistons internes), qui sont voisins et qui sont reliés mécaniquement l'un à l'autre, constituant un premier groupe, tandis que les deux pistons externes, qui sont également mécaniquement reliés l'un à l'autre, consti- tuent un deuxième groupe, les moyens mécaniques de liaison de ce dernier groupe comportant au moins une tige qui est parallèle à l'axe de la machine et passe à l'extérieur des
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cylindres moteurs, cette tige étant désignée ci-après par l'expression "tirant de conjugaison", étant entendu que ce terme recouvrira toutes les variantes de tiges ou d'éléments analogues remplissant la même fonction.
Ces deux groupes depistons moteurs sont relies par des moyens de synchronisation de façon telle que lorsque les deux pistons moteurs à mouvement opposé et qui travaillent'dans l'un de ces cylindres moteurs, accomplissent leur course de travail, les deux pistons à mouvement opposé et qui travaillent dans l'autre cylindre, accomplissent leur course de compression et inverse- ment.
L'énergie dégagée par la combustion de combustible dans les cylindres moteurs sert généralement à comprimer de l'air qui peut être utilisé hors de la machine à pistons libres, laquelle constitue alors un motocompresseur,ou qui peut être uti- lise à l'intérieur de la machine à pistons libres pour sur- alimenter et balayer les cylindres moteurs de celle-ci et pour ' former avec les gaz de combustion incomplètement détendus un mélange de gaz chaud sous pression qui, après sa sortie des lumières d'échappement des cylindres moteurs, sert à entraîner une machine réceptrice, notamment une turbine, les machines d:e . cotte dernière espèce travaillant donc en tant qu'autogénéra- teura.
Bien entendu, la même machine peut à la fois fournir un gaz chaud et sous pression à une machine réceptrice et de l'air pur comprimé à un autre récepteur,
Les tirants de conjugaison du deuxième groupe de pistons moteurs sont généralement longs et sont en principe destinés. uniquement pour travailler sous une sollicitation de traction.
Cependant, dans les machines.tandem à pistons libres opposés du genre en question, ces tirants de conjugaison peuvent être, néanmoins, soumis à certains moments, à des efforts de
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compression. On pourrait pallier cet inconvénient eh accroissant la section.de ces tirants, mais ceci entraînerait un alourdisse- ment de la machine et une augmentation gênante des forces d'i- nertie. '
L'invention a pour but, surtout, de remédier à ces in- convénients et d'agencer ces machines de façon telle que le ou les tirants de conjugaison travaillent uniquement à la traction sur la totalité des courses des pistons moteurs de la machine tandem.
De plus, l'invention a pour but de réduire l'encombrement de la machine, notamment dans le sens axial,
La machine tandem à pistons libres selon l'invention est caractérisé en ce que chacun des pistons externes, c'est-à-dire des pistons du deuxième groupe, est relié à un piston compensa- teur travaillant de préférence en tant que piston compresseur d'air qui crée, dans un cylindre compensateur, une résistance au mouvement pendant la course du piston moteur correspondant vers l'intérieur, c'est-à-dire pendant qu'a lieu la compression dans le cylindre moteur dans lequel travaille ledit piston moteur,.
Les pistons compensateurs et leurs cylindres peuvent cens-' tituer des unités de compensation séparées qui se trouvent aux extrémités de la machine, mais ils peuvent être aussi :réunis en une seule unité, dans laquelle le piston travaille en tant que piston à double effet dans un seul cylindre compensateur, ce piston à,double effet étant de préférence intercalé dans un ti- rant de conjugaison. Dans tous les cas, la résistance à laquelle est soumis-le piston compensateur pendant le mouvement du piston moteur correspondant vers l'intérieur, s'ajoute donc à la résis- tance à laquelle est soumis ce dernier piston, par suite de la compression de l'air à l'intérieur du cylindre moteur.
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Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on, intercale dans la liaison mécanique du premier groupe de pistons moteurs, liaison constituée généralement par une simple tige, un piston compresseur qui travaille comme piston à double effet dans un cylindre compresseur qui se trouve entre les deux cy- lindres moteurs. On obtient ainsi une machine particulièrement compacte et exempte de sollicitation de compression dans les tirants de conjugaison.
Lorsque les pistons compensateurs travaillant en tant que pistons compresseurs d'air à simple'effet et les cylindres com- pensateurs correspondants sont disposés, dans un autogénérateur établi selon.l'alinéa précédent, aux extrémités opposées de cette machine, on fait communiquer avantageusement le cylindre compensateur et l'espace de compression, qui se trouve du même coté du susdit piston compresseur à double effet que ce cylindre compensateur, avec les lumières d'admission du cylindre moteur qui est disposé, par rapport au centre de la machine tandem, du coté opposé à -celui où se trouvent ces cylindre compensateur et espace compresseur.
On obtient ainsi que chaque cylindre moteur est alimenté par deux espaces compresseurs qui ont des dis- tances différentes d'aveo le cylindre moteur qu'ils alimentent, ce qui permet un balayage continu de chacun des cylindres moteurs pendant pratiquement toute la durée d'ouverture des lumières d'admission de ces cylindres.
Plusieurs modes d'exécution de l'invention sont repré- sentés par les dessins ci-annexée*
La figure 1 de ces dessins est une représentation sché- matique d'un premier mode de réalisation d'une machine tandem à pistons libres selon l'invention.
La figure 2 est une coupe à travers un second mode de réalisation d'une machine tandem selon l'invention.
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La figure 3 est une représentation schématique en coupe d'un autre mode de réalisation encore de ladite machine tandem.
La figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3
La figure 5 représente une coupe à'travers un piston mo- 'tour extérieur associé à un ensemble cylindre-piston compensateur conforme à un mode de réalisation particulier de ces éléments.
La figure 6 enfin, montre, en coupe axiale, encore un autre mode de réalisation de l'invention.
Concernant tout d'abord la machine tandem à pistons libres .dans son ensemble, à l'exception de ses éléments compresseurs et des moyens faisant l'objet de l'invention, on lui fait comporter, de façon en soi connue, un premier et un second cylindres moteurs coaxiaux 11 et 12 dans lesquels on fait travailler en opposition de phase deux pistons moteurs 21, 31 et 22, 32 (fig. 1 à 3).
Les pistons intérieurs 21 et 22 formant un premier groupe sont reliés par une tige de liaison rigide 4 et les pistons extérieurs 31 et 32 formant un seoond groupe sont reliés entre eu@, egalement de façon rigide, par un ensemble d'éléments comprenant des tiges
61 et 62 directement fixées aux pistons susdits et terminées par des potences 71et 72, à leur tour reliées entre elles par des tirants de conjugaison 8 passant à l'extérieur des cylindres mo- teurs 11 et 12.
On obtient ainsi deux équipages à déplacements inverses dont les mouvements peuvent être synchronisés de façon en soi connue, comme schématisé dans les figures 2 et 3, par. l'inter- médiaire de crémaillères 91 et 92 respectivement solidaires des . deux équipages susdits et engrenant avec un même pignon 11.
La distribution des cylindres moteurs est assurée par l'intermédiaire, d'une part, de lumières d'admission 121, 122 établies dans ces cylindres moteurs et susceptibles de mettre
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ceux-ci en communication avec des réservoirs ou carters 131, 132 contenant de l'air de balayage refoulé dans ces carters par des éléments compresseurs (dont plusieurs modes de réali- sation avantageux seront décrits ai-après), et, d'autre part, de lumières d'échappement 141, 142 permettant l'évacuation d'un mélange d'air et des produits de la combustion, par exemple vers une turbine réceptrice (non représentée) à travers des conduits .
151, 152, lorsque ces lumières sont découvertes par les pistons moteurs correspondants, dans les dernières.parties de leurs courses vers leurs points morts extérieurs respectifs;
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, et conformément à l'invention, on associe rigidement chacun des pistons moteurs extérieurs 31, 32 avec un piston compresseur, dit piston compensateur, 161 et 162, chacun de ces pistons com- pensateurs travaillant en tant que piston à simple effet dans un cylindre compensateur 171 ou 172.
Chacun des pistons 161 et 162 comprime de l'air dans le cylindre compensateur correspon- dant lorsque le piston moteur auquel il est associé comprime l'air de combustion dans son cylindre moteur,
L'adjonction de cet ensemble piston-cylindre compensa- teur à chacun des pistons moteurs extérieurs susdits tend à "freiner" celui de ces pistons moteurs qui accomplit sa course vers l'intérieur et, de ce fait, maintient constamment sous tension les tirants de conjugaison 8 ou, en d'autres termes, fait en sorte que ces tirants travaillent uniquement à la trac- tion sur la totalité de leurs courses.
Comme déjà dit, l'ensemble formé par chacun 'des pistons compensateurs 161et 162 et son cylindre compensa- teur correspondant constitue un élément compresseur à simple effet et communiquant avec le réservoir 131 (ou 132) d'air de
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balayage du cylindre moteur 11 (ou 12) et coagissant avec le piston moteur correspondant, la machine tandem ainsi constituée comprenant alors un tel élément compresseur à chacune de ses extrémités.
En plus de ces deux éléments compresseurs à simple effet, solidaires respectivement des pistons moteurs extérieurs, la machine comporte encore avantageusement un élément compres- seur central à double effet dont le cylindre 18 est disposé en- tre les cylindres moteurs 11 et 12 et dont l'élément de piston 19 est intercalé rigidement dans la liaison 4 dès pistons moteurs intérieurs 21 et 22.
La distribution de ces éléments compresseurs est faite de façon en soi connue, les cylindres 171, 172 comportant du côté intérieur des pistons 161, 162 des valves d'aspiration d'air respectivement 211, 212, des valves de refoulement 221, 222 permettant l'alimentation en air des carters 131, 132 lors des courses de refoulement respectives des pistons compresseurs à simple effet 161, 162.
De même, le cylindre compresseur 18 à double effet comprend, respectivement dans l'un et l'autre des deux compartiments définis dans le cylindre 18 par le piston 19, des valves d'aspiration 231 et 232 et des valves 241 et 242, ces dernières assurant le refoulement.de l'air comprimé alter- nativement dans l'un et l'autre des carters 131 et 132 de la machine (comme représenté dans la fig. 1), ou dans un réservoir
25 (du type de celui représenté dans la fig. 2) maintenant une communication constante entre les deux carters susdits.
La figure 2, dans laquelle les éléments équivalents à ceux de la machine déjà décrite sont désignés par le3 mêmes chiffres de référence, représente un autre mode de réalisation de l'invention..
. Selon cette figure, on fait comporter à la machine, d'une
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part, un premier élément compresseur comprenant un cylindre compresseur 261 dans lequel travaille un piston compresseur 271 à double effet, intercale dans la liaison rigide 4 entre les deux pistons moteurs intérieurs 21, 22 susdits et, d'autre part, un second élément compresseur jouant le rôle de l'élément com- ponsateur et comprenant au moins un cylindre compresseur 26 ' dans lequel travaille au moins un seoond piston compresseur 272 à double effet intercalé dans les tirants de conjugaison 8 des.. dits pistons moteurs extérieurs 31, 32.
Dans ce mode de réalisation, les premier et second élé- monts compresseurs susdits sont coaxiaux et.disposés tous deux entre les deux cylindres moteurs de la machine, la liaison ri- aide 4 entre les deux pistons moteurs intérieurs 21, 22 susdits traversant le piston 272 du second élément compresseur, et les tirants de conjugaison 8 passant au travers du piston 271 du premier élément compresseur susdit.
Dans ce mode de réalisation d'une machine tandem à pis- tons libres selon l'invention on prévoit, en outre, avantageu- sement des moyens pour assurer l'étanchéité entre les deux cy- lindres compresseurs 261 et 262.
A cette fin, on relie dans le cylindre 26. les deux fonds 28,,'et 281b par des tiges entretoises creuses 29 à l'intérieur desquelles coulissent les tirants de conjugaison 8, et on relie de même, dans le cylindre compresseur 262, les deux fonde 282a et 282b par une tige entretoise creuse unique 31, dans laquelle coulisse la tige de liaison 4.
En ce qui concerne l'étanchéité entre les deux capacités de compression adjacentes définies par le piston compresseur dans chacun des éléments de compression à double effet susdits, on peut l'assurer, de façon en soi connue, par exemple, par
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l'intermédiaire, d'une part, de segments extérieurs 321, 322 sur les parties extérieures des pistons 271, 272 frottant sur les parois intérieures des cylindres 26, et 262 et, d'autre part, de segments intérieurs 33,34 frottant sur les parois extérieures respectives des tubes entretoises fixes 29 et 31.
Outre l'étanchéité ainsi réalisée entre les différentes capacités de compression, on obtient ainsi l'avantage supplé- mentaire que les vitesses relatives des pièces mobiles frot-, tantes par rapport aux pièces fixes n'excèdent pas la vitesse de chacun des équipages, alors que la vitesse relative des pis- tons par rapport aux tiges qui les traversent est le double de la vitesse de déplacement des pistons.
.
On obtient ainsi une machine tandem d'encombrement réduit dans laquelle les éléments compresseurs et compensateurs sont constitués en un bloc compact au centre de la machine.
Un avantage supplémentaire de cette disposition réside dans la facilité de montage et de démontage de la machine et, en particulier, dans le cas préféré où les pistons moteurs ex- térieurs coopèrent avec les lumières d'échappement des cylindres moteurs, la possibilité facile de démontage et d'entretien ou de remplacement de ces derniers pistons, lesquels sont toujours les plus sollicités thermiquement au cours de la marche de la. machine tandem.
Il va de soi que l'on pourrait aussi', dans la machine représentée dans la figure 2, supprimer les cloisons 281b et 282a de sorte que l'on obtiendrait deux éléments compresseurs comportant chacun un piston compresseur ooagissant avec un cy- lindre compresseur commun et définissant dans celui-ci trois capacités de compression de volume variable. Bien entendu on ne pourrait plus dans un tel cas prévoir l'utilisation de tiges
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creuses du type de celles susvisées sous les chiffres de réfé- 'renée 29 et 31, les pistons compresseurs 271, 272 coulissant alors directement respectivement sur les tirants 8 et la tige de liaison 4.
Le problème des pistons compresseurs coulissant sur des tiges ou. tirants est cependant supprimé dans le mode de réali- sation de la machine représente.dans la figure 3 'et dans la- ruelle seul celui des éléments'compresseurs, dont le piston est intercalé dans la liaison 4 des pistons moteurs intérieurs 21,
22, est établi entre les cylindres moteurs correspondants, tandis ;
que l'on a disposé le (ou les) cylindres de l'élément compensa- teur solidaire des pistons moteurs extérieurs 31, 32, suivant un ou des axes parallèles à l'axe desdits pistons, lesdits axes étant disposes eux-mêmes à l'extérieur du plus gros volume cy- lindrique de l'ensemble constituant la machine*
Suivant un mode de construction particulièrement avanta- geux de l'invention, on prévoit pour l'élément compensateur cons- tituant le second élément'compresseur une pluralité de cylindres compresseurs, par exemple trois cylindres compresseurs 262a,
262b, 262o disposés suivant les ommets d'un triangle équilaté- ral dont le centre coïncide avec l'axe du premier élément com- 2 le 271 presseur/, comme représenté dans la figure 4,
ces trois cylindres compresseurs coagissant avec trois pistons montés dans trois tirants 8a, 8b, 8o.
Bien entendu les sections des cylindres 262a,262b, 262o sont nettement inférieures à celle du cylindre compresseur 261 dans un rapport sensiblement égal à 1/3 lorsque ces cylindres
262a,262b, 262c coagissent avec des pistons uniques, pour que les volumes d'air refoulés par les deux groupes compresseurs dans les carters 131, 132 restent sensiblement égaux.
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On peut encore davantage réduire les diamètres des cy- lindres 262a,262b, 262c si on les divise en une pluralité de chambres, par exemple deux chambres 36a, 36b coaxiales et dis- posées l'une dans le prolongement de l'autre, ces chambres coa- gissant avec des éléments de pistons compresseurs 37a, 37b à simnle effet intercalés à distance l'un de l'autre dans les ti- rants susdits. Les sections respectives des cylindres 262a, 262b,262c ne seront plus alors dans ce cas, que de l'ordre du 1/6 de celle du cylindre 2614
Les tirants 8, attelés aux potences 71, 72 constituent les tiges de liaison des pistons multiples tels que 37a, 37b qui coagissent avec lesdits cylindres compresseurs extérieurs 36a, 36b.
On obtient donc une construction, peut-être encore plus avantageuse à certains égards que dans le cas de la figure 2, en ce qui concerne notamment la supression des frottements des pistons compresseurs et des tiges mobiles, et une compacité encore accrue de l'ensemble de la machine.
Les pistons 37a, 37b constituant les pistons compensa- teurs ne travaillent qu'à simple effet par leurs faces en re- gard à la manière des pistons 161, 162 sur la figure 1.
On décrira ci-après un mode de réalisation de l'un de ces ensembles cylindre-piston compensateur tels que prévus sur la figure 1 en rapport avec le piston moteur 32, étant entendu que l'autre piston moteur 31 est pourvu d'un ensemble équivalent.
Le piston compensateur de l'ensemble en question est constitué, comme représenté dans la figure 5, par un élément de piston 162, solidaire du piston moteur extérieur 32, et de section un peu plus grande, ce piston coagissant avec un élé- ment de cylindre 17, communiquant avec le carter 132, entourant le cylindre moteur 12, par une ou plusieurs ouvertures 38 dans
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lesquelles on pourra, le,cas échéant, établir des soupapes de refoulement 22- (non représentées).
Dans 'un tel cas, l'ensemble piston compensateur 162- cylindre compensateur 172 constitue encore un véritable élément ' compresseur auxiliaire à simple effet.
Quant à l'autogénérateur selon l'invention, représenté par la figure 6, il correspond, en ce qui concerne la disposi- tion générale des cylindres moteurs et compresseurs, ainsi que des liaisons entre les divers pistons libres,- à la mchine selon la figure 1.
L'air comprimé par les pistons compensateurs extérieurs
1061, 1062 sert, avec l'air comprimé par le piston à double ef- fet 104, à alimenter lescylindres moteurs 1011, 1012.
Dans la machine représentée par la figure 6, les espaces compresseurs qui se trouvent d'un côté du centre de la machine tandem communiquent avec les ouvertures d'admission du cylindre moteur qui se trouvent de l'autre côte du centre de la machine tandem. C'est ainsi que l'espace compresseur 1071 et l'espace compresseur qui se trouve dans le cylindre compresseur 105 du côté gauche du piston compresseur 104 alimentent en commun le cylindre moteur 1012 qui se trouve du côté droit de la machine.
La communication de ces deux espaces compresseurs aveo les lu- mières d'admission 1122 du cylindre moteur 1012 est assurée par des conduits 1501 et 1502 de longueur différente. De façon ana- logue, le cylindre'moteur 1011 est alimenté par de l'air com- primé dans l'espace compresseur 1072 et dans l'espace compres- seur qui se trouve à droite du piston compresseur 104. A cet effet, ces derniers espaces compresseurs communiquent avec les lumières d'admission 1121 du cylindre 1011'par l'intermédiaire des conduits 1511 et 1512.
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On obtient ainsi, non seulement que les périodes de refoulement des pistons compresseurs qui refoulent l'air vers les lumières d'admission de l'un des cylindres moteurs coinoi- dent avec les périodes pendant lesquelles les lumières d'admis- sion de ce cylindre sont ouvertes, mais encore que l'alimenta- tion en air de combustion et de balayage de chacun des cylindres moteurs dure pendant pratiquement toute la durée d'ouverture de ces lumières, et cela en raison des longueurs différentes des conduits 1501, 1502 et 1511, 1512, ces différences de longueurs retardant l'arrivée au cylindre moteur correspondant de l'air comprimé par les pistons compresseurs extérieurs par rapport à l'arrivée de l'air comprima par le piston compresseur à double effet intérieur 104.
Au cas où l'air comprimé, avant son entrée dans les cy- lindres moteurs, doit subir un refroidissement, on peut inter- caler, dans les divers conduits 1501, 1502, 1511 et 1512, des moyens de refroidissement 1521, 1522 et 1531, 1532 et on peut rendre différents les effets de refroidissement. C'est ainsi- qu'on peut prévoir, dans les conduits 1502 et 1512, des moyens de refroidissement plus efficaces que ceux intercalés dans les conduits 15 , et 1511 afin d'accentuer le refroidissement de l'air au début de balayage par rapport au refroidissement de l'air qui assure la fin du balayage.
Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réa- lisation de ses diverses parties ayant été plus particulièrement envisagés, elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celle où une partie au moins de,l'air comprimé dans au moins certains des espaces compresseurs de la machine tandem se- lon l'invention est débitée vers l'extérieur sans' passer par les cylindres moteurs de la machine.