EP2989294B1 - Machine volumique rotative a trois pistons - Google Patents

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EP2989294B1
EP2989294B1 EP14719756.0A EP14719756A EP2989294B1 EP 2989294 B1 EP2989294 B1 EP 2989294B1 EP 14719756 A EP14719756 A EP 14719756A EP 2989294 B1 EP2989294 B1 EP 2989294B1
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pistons
crankshaft
piston
enclosure
intrados
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Jean-Pierre Ambert
Vincent Genissieux
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    • F01C1/44—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member with vanes hinged to the inner member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F01C21/0809—Construction of vanes or vane holders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/20—Geometry of the rotor

Definitions

  • the present invention relates to a rotating three-piston rotary machine comprising an outer chamber forming a stator in which a rotor is formed consisting of three pistons hinged in their middle on a crank with three branches.
  • the present invention finds a particularly interesting application in the field of combustion engines, turbines, compressors, pumps, hydraulic motors, pneumatic motors, vacuum pumps, and steam engines.
  • rotary deformable diamond machine MRLD
  • deformable diamond rotary machines with four linked pistons have geometrical features which are widely known and disclosed in particular in the patent. FR0805177 (V. GENEssieux ) or in the patent application WO8600370 (Contiero ).
  • the invention aims to provide a rotary machine with three pistons having a power / space ratio and a power / mass ratio more interesting than the three-piston machines of the state of the art, of the order of 2 2.5 times higher, while being more economically advantageous than the four-piston chained machines which have a large number of parts and are more complex to achieve.
  • the subject of the invention is a rotating three-piston rotary machine comprising a stator enclosure in which a rotary rotor assembly comprises a crankshaft cooperating mechanically with the pistons, the rotary assembly defining inside the rotor said chamber six chambers variable volume whose volume varies during the rotation of the rotary assembly, each of the pistons defining with the chamber a variable volume chamber called extrados chamber and two consecutive pistons delimiting with the enclosure and the crankshaft a variable volume chamber called intrados chamber, said machine being characterized in that the geometry of the pistons and the crankshaft is adapted so that each intrados chamber has a cubic capacity equal to or greater than the cubic capacity of the extrados chambers.
  • equal cubic capacity means a cubic capacity equivalent to ⁇ 20%.
  • the rotating machine with three pistons has the advantage of using the internal volume between the pistons so as to form additional sealed chambers, said intrados chambers, by the geometric complementarity of the pistons and the crankshaft which delimits chambers intrados to variable volume during the rotation of the machine, so that this complementarity is dynamic in that the complementary surfaces of the pistons and the crankshaft move away and come closer (until they come in contact when the intrados chamber is at its minimum volume or close to its minimum volume) alternately during the rotation to create this variation in volume of the intrados room.
  • the geometries of the surfaces of the piston and the crankshaft delimiting the intrados chamber, dynamically complementary are linked by a mathematical function of the various geometrical parameters of the machine.
  • the dynamic geometrical complementarity as well as the realization of particular profiles of the pistons and the crankshaft is a sine qua non condition to be able to realize a machine 3 pistons according to the invention of which the intrados rooms have a same working capacity than that of the extrados chambers or a higher displacement, while the engine capacity of the lower chambers of rotary machines with three pistons according to the state of the art are generally of the order of 10% to 20% of the displacement of the extrados chambers.
  • the dynamic geometric complementarity of the pistons and the crankshaft also makes it possible to propose a simple and robust machine by using the principle of direct transmission that can transmit large torques without using a differential system, unlike the four-piston machines connected to one another. known in the state of the art and MRLD machines.
  • the rotary three-piston machine according to the invention makes it possible to produce efficient machines while reducing the number of useful parts, by simplifying them and consequently reducing the cost of producing such a machine with respect to the machines with four connected pistons. .
  • the machine according to the invention has six variable volume chambers which are all capable of performing the various functions of a cycle characterizing the operation of an internal combustion engine, a pneumatic motor, a steam engine, a hydraulic motor, a vacuum pump, a compressor, a pump, etc.
  • the rotary machine with three pistons according to the invention has a very specific internal geometry and different four-piston machines, the pistons having no contact with each other unlike four-piston machines forming a closed kinematic chain, the teaching of Four-piston machines are therefore not directly applicable to rotating machines with three pistons according to the invention having a different internal geometry and whose drive is achieved directly by the complementary geometric shapes between the pistons and the crankshaft.
  • the rotary machine with three pistons also has the advantage of allowing the integration of means for performing additional functions secondary to primary primary functions intrinsic to the operation of the machine without using the intrados or extrados rooms that are usable to perform the primary functions necessary for the main function of the machine.
  • means for performing additional functions secondary to primary primary functions intrinsic to the operation of the machine without using the intrados or extrados rooms that are usable to perform the primary functions necessary for the main function of the machine.
  • such means may be the use of pistons and a capacitive crankshaft.
  • Capacitive means the possibility of temporarily storing and retrieving part of the fluid in transit in the intrados and / or extrados chambers via retractable cavities. In an application where the working fluid is a liquid, this ability can act as a hydraulic anti-lock device.
  • the rotary three-piston machine makes it possible to obtain a displacement of the intrados chamber up to 70% greater than the cubic capacity of the lower chamber of the machine with four connected pistons, and a total displacement per revolution up to 22% greater than the total displacement of a rotary machine with four connected pistons, the two machines having the same ovoid interior profiles of the enclosure.
  • the three-piston MRLD machine according to the invention makes it possible to have a power density, per unit volume or per unit mass, up to 22% greater than the connected four-piston machines of the state of the art.
  • the figure 1 illustrates a sectional view of a first embodiment of the rotary machine with three pistons according to the invention and the figure 2 illustrates an exploded view of the entire machine of this first embodiment.
  • the rotating machine with three pistons 100 comprises a peripheral enclosure 2 forming a stator and defining the receiving enclosure of a mobile assembly 30 forming a rotor and consisting of a central shaft 4 integral or not with a crankshaft 3 cooperating with three pistons 1 .
  • the stator 2 has a generally tubular shape of oval section, whose ovoid profile is preferably in accordance with the geometrical rules imposed in rotating machines with deformable diamond (MRLD). These design rules are in particular known and described in the documents of the state of the art, such as, for example, the patent application FR 2,493,397 to JP AMBERT .
  • the enclosure 2 is closed laterally by two flanges 5a and 5b which may have openings 111 for the circulation of fluids and bearings 103 or bearings at their centers for the rotational guidance of the shaft 4 and / or the crankshaft 3.
  • the crankshaft 3, integral or not with the shaft 4, is indifferently a solid piece or a laminated piece having a width (in the axial direction of the machine, that is to say in the direction of the axis of rotation of the movable assembly 30) substantially equivalent to the width of the enclosure 2.
  • the crankshaft 3 then has a sliding contact with the flanges 5a and 5b during the rotation of the machine 100.
  • the width of the crankshaft may be less than the width of the chamber 2 so that the crankshaft does not have contact with the flanges 5a, 5b.
  • the pistons 1 have a width equal to the width of the enclosure 2, or equal to the width of the crankshaft 3, and are therefore in sliding contact with the flanges 5a and 5b bordering the enclosure 2.
  • Each piston 1 has an outer surface 117 having a cycloidal curvature forming the upper surface of the piston and an inner surface 118 forming the underside of the piston 1.
  • the pistons 1 have two sliding zones 104, symbolized for example by a rupture of the cycloidal curvature of the extrados surface 117. These sliding zones 104 are intended to be in contact with the inner surface of the piston. the chamber 2 and to promote the sealing of the pistons 1 during operation of the machine 100.
  • the sliding zones 104 are formed by sectors of cylinders of revolution 105 forming a break with the extruded cycloid surface 117; the cylinders of revolution 105 and the extrados cycloid surface 117 being tangent.
  • the complete revolution cylinders 105 are shown in dashed lines at the figure 1 for better visibility.
  • the cylinders of revolution 105 forming these sliding zones 104 may have more or less significant diameters, including zero diameters, thus forming more or less large slip zones 104 which will be adapted according to the needs, characteristics and characteristics. architecture of the rotary machine 100.
  • the pistons 1 and the crankshaft 3 cooperate together by means of a pivot connection 106 adapted to allow the tilting and rotation of the pistons 1 in the chamber 2, whose inner profile is advantageously a MRLD type profile, to allow the surface of the underside to come to marry the complementary surface of the crankshaft 3, and to allow the transmission of a torque of the pistons 1 to the crankshaft 3 or vice versa.
  • a pivot connection 106 adapted to allow the tilting and rotation of the pistons 1 in the chamber 2, whose inner profile is advantageously a MRLD type profile, to allow the surface of the underside to come to marry the complementary surface of the crankshaft 3, and to allow the transmission of a torque of the pistons 1 to the crankshaft 3 or vice versa.
  • the pivot connection 106 forms a tilting means consisting of a tilting cylinder 107 (convex male portion of the pivot connection 106) in the middle of the intrados surface 118 of the pistons 1 cooperating with a tilting cup 127 having a concave shape complementary of the tilting cylinder 107 (female part of the pivot connection 106), arranged in the crankshaft 3, the tilting of the tilting cylinder 107 in the tilting bowl 127 allowing the rotation of the pistons 1 in the chamber 2 and the alternative tilting pistons 1 relative to the crankshaft 3 around the pivot connection 106 thus ensuring the volume variation of the intrados chambers 102.
  • the tilting cylinder 107 is extended at least over part of the width of the crankshaft 3 as visible on the figure 2 .
  • the contact surface between the tilting cylinder 107 and the tilting cup 127 extends over an angular sector sufficient to prevent the tilting cylinder 107 from coming out of the tilting pan 127, which would cause the piston 1 to jam between the enclosure 2 and the crankshaft 3.
  • This sufficient angular sector is directly dependent on the mathematical parameters of the ovoid of the enclosure 2, those of the intrados surface 118 and those of the outer surface of the crankshaft 3.
  • bearings can advantageously be housed in the male parts of the tilting cylinder 107 or in the female parts thereof, such as for example plain bearings or any other means of type rolling bearing adapted to support this reciprocating tilt movement and able to withstand the phenomenon of contact wear and fretting (wear in the case of an oscillating movement contact of small amplitude).
  • the tilting cylinder 207 ie the male part of the pivot connection 206
  • the concave tilting bowl 227 ie the female part of the pivot connection 206
  • the female part and the male part has a contact area of more than half a section of the tilting cylinder, ie greater than 180 °. This important contact zone advantageously allows the recovery of the centrifugal force of the piston 1 by the crankshaft 3.
  • the tilting cylinder 207 may be an element attached to the crankshaft 3 or on the lower surface of the piston 1, in order to simplify the manufacturing range of such a machine and to lower the cost of production of the parts.
  • the tilting cylinder is a part independent of the crankshaft 3 and pistons 1.
  • the tilting cylinder cooperates with two bowls tilt concaves arranged on both the crankshaft 3 and the pistons 1.
  • the transmission of the movement between the crankshaft 3 and the pistons 1 is ensured by a tangential force transmitted between the female part and the male part of the pivot connection 106, 206, the direction of transmission of the tangential force depending on the variant embodiment. the pivot connection 106, 206 but also the direction of transmission of the rotational torque, that is to say the pistons 1 to the crankshaft 3 or vice versa.
  • the pivot connection is formed by a hinge connection 306 having tilting cylinders 307 alternately arranged on the crankshaft 3 and on the pistons 1, cooperating with tilting cuvettes 317, the assembly being held by an axis 10 passing through the different cylinders
  • the tilting and the transmission of the forces are carried out by the axis 10 of the hinge 306 which also serves to take up the centrifugal force applied to the pistons 1.
  • this pivot connection 106 can be made by means of a material having a low coefficient of friction and optionally with a surface treatment. It is also envisaged to limit the friction of the pivot connection 106, 206, 306 by the use of suitable rolling components, such as for example plain bearings, ball bearings or needle bearings. It is also envisaged to limit the friction of the contact zone of the pivot connection 106, 206, 306 by creating a hydrodynamic or aerodynamic film. This thin hydrodynamic film is produced by integrating a portion of the compressed fluid flow between the male part and the female part of the pivot connection 106, 206, 306 so as to promote sliding during tilting.
  • the pivot connection 406 is formed by one or more flexible parts having a generally blade shape extending over at least part of the length of the crankshaft 3 and / or pistons 1.
  • These flexible blades 15 are positioned in two grooves 131, 132 arranged in a direction parallel to the axis of tilting of the pivot connection 406, respectively in the pistons 1 and in the crankshaft 3.
  • the flexible blades 15 can be made by a superposition of flexible thin blades, or by the use of a flexible plastic material, such as an elastomer, having mechanical characteristics to advantageously withstand the phenomenon of fatigue.
  • the flexible part can also present a specific reinforcement having a section adapted to improve the fatigue strength of the flexible part, such as for example an X-shaped section.
  • Such a flexible blade is for example mounted compressed in the grooves 131, 132, which allows, by elastic return of the blade, to exert a radial force capable of improving the sealing of the piston / chamber contacts.
  • Such a flexible blade 15 also makes it possible to improve the seal between each intrados chamber 102 of the machine 100.
  • the flexible blades 15 thus provide the function of pivoting, torque transmission and sealing of the machine. link.
  • the upper surface 117 of the pistons defines with the inner wall of the chamber 2 and the flanges 5a, 5b three outer chambers 101, said extrados chambers, forming cavities with variable volume whose volume varies between a maximum volume and a minimum volume during relative movement of the rotor 30 relative to the stator 2; this minimum volume may be at the zero limit according to the mathematical parameters of the ovoid of the enclosure 2 and those of the extrados surface 117.
  • the rotary machine 100 also comprises three chambers 102, said intrados chambers, each intrados chamber 102 being interposed between two extrados chambers 101.
  • the intrados chambers 102 are delimited by the intrados faces 118 of two consecutive pistons 1, by the lateral faces 115 and by the faces of the cylinders of revolution 105 of the pistons 1 forming a junction surface between the extrados surface 117 and the intrados surface 118 of the pistons 1, the inner wall of the enclosure 2, the crankshaft 3 and the flanges 5a, 5b .
  • the intrados chambers 102 also form cavities of variable volume whose volume varies between a maximum volume and a minimum volume during the relative movement of the rotor 30 with respect to the enclosure 2, this volume variation being advantageously due to the reciprocating tilting movement of the pistons 1 relative to the crankshaft 3 around the pivot connection 106 so that the complementary surfaces of the crankshaft 3 and the piston 1 (formed by the intrados surface 118, the cylinders of revolution 105, and the lateral faces 115) move away and approach each other alternately.
  • the crankshaft 3 has a circular section.
  • the crankshaft may also have a triangular section as illustrated in FIGS. Figures 7 and 8 , a curvilinear triangular section as illustrated in Figures 5 and 6 , or a hexagonal section as illustrated in Figures 9 and 10 .
  • the associated pistons obviously have a complementary intrados profile of the outer surface of the crankshaft. It is understood that variants of the pivot connection 106 between the pistons 1 and the crankshaft 3 described above are applicable irrespective of the profile of the crankshaft 3.
  • the pistons 1 may comprise skirts 17 fixed on their lateral flanks, such a variant is illustrated in FIG. figure 15 .
  • the skirts 17 are for example elements attached to the pistons 1 whose profile adopts that of the extrados face 117 of the piston 1 for the upper part and a circular profile or other for the lower part.
  • the profile of the lower part and the thickness of the skirts 17 are defined according to the application and the profile of the piston 1 so as not to interfere with the transmission shaft 4.
  • the skirts 17 flanked on the pistons 1 have for the advantage of stiffening the piston especially when the cylinders of revolution 105 forming the sliding zones 104 of the extrados surface 117 have a small radius, or when the radial thickness of the piston 1 is small compared to the pressures exerted by the fluid in the chambers 101, 102.
  • the skirts 17 also make it possible to adjust the admissions and axial discharges of the fluids operated through the openings 111 in the flanges 5a, 5b.
  • the circulation of the fluids in the chamber 2, and more precisely in the cavities formed by the intrados 102 and extrados 101 chambers, is made by one or more axial openings 111 made in one or in the two lateral flanges 5a, 5b and / or by one or more radial openings (not shown) made in the chamber 2 or in the crankshaft 3.
  • the axial openings 111 can communicate only with the intrados chambers 102, likewise for the radial openings in the crankshaft 3.
  • the rotary machine 100 does not require the use of valve or valve for admissions and repressions, the pistons 1, with or without skirts 17, and / or the crankshaft 3 obstructing and alternatively discovering the axial openings 111 and radial when of their rotation.
  • the shape, the section, the number, as well as the locations of the openings allowing the entry and the exit of fluids being defined according to the operating characteristics of the rotary machine 100.
  • the openings are thus parameterized according to the application, fluid and desired characteristics.
  • the three-piston rotary machine 100 has six cavities of variable volume formed by the three intrados chambers 102 and the three extrados chambers 101.
  • Each intrados chamber 102 is diametrically opposed to an extrados chamber 101 and their volume variations (increase or decrease) are synchronous.
  • the particular arrangement of the pistons 1 and the crankshaft 3 presented above as well as the dimensions of the pistons 1 and the crankshaft 3 advantageously defined enable a rotary machine with three pistons 100 having intrados chambers 102 and extrados chambers with displacements and / or compression ratios equal to ⁇ 20%, or greater than the displacements and / or compression ratio of the extrados chambers 101.
  • the production of six cavities with variable volume having the same or substantially the same displacement makes it possible to produce machines operating primary primary functions in each of these six chambers, with a power / space ratio and a power / mass ratio that are very interesting for various applications. conventional three-piston or chained four-piston machines can not reproduce.
  • the displacement of the intrados chamber 102 can be up to 50% greater than the displacement of the extrados chamber 101.
  • such a machine can advantageously be used in combustion internal combustion engine, hydraulic motor, pneumatic motor, steam engine (s), pump, vacuum pump or compressor mode mode, each of the variable volume cavities thus corresponding to a particular state according to a mode of use of the machine.
  • the same 3-piston volume machine according to the invention can combine several different modes of use within its six intrados and extrados chambers, simultaneously or successively, and advantageously up to 4 different modes of use, such as for example: a mode of use in a compressor in the extrados chambers 101 and a mode of use in expansion motor in the intrados rooms 102, or a mode of use in hydraulic pump in the intrados chambers operating in the right side of the machine and a method of using a hydraulic motor in the intrados chambers 102 operating in the left side of the machine.
  • the Figures 18 to 29 illustrate different positions of the rotating machine at different angles of rotation of the pistons A, B and C and the crankshaft with a pitch of 30 ° between each figure.
  • the figure 18 illustrates the position of the pistons A, B, C in a so-called reference position, that is to say at the angle 0 °
  • the figure 19 illustrates the position of the pistons A, B, C with a 30 ° rotation in the clockwise direction relative to the position of the pistons of the figure 18
  • the figure 20 illustrates the position of the pistons A, B, C with a rotation of 60 ° with respect to the position of the pistons A, B, C of the figure 18 and so on until the figure 29 which represents the position of the pistons A, B, C with a rotation of 330 ° with respect to the position of the pistons A, B, C illustrated in FIG. figure 18 .
  • All of the Figures 18 to 29 therefore illustrates twelve positions of the pistons A, B, C for a crankshaft revolution.
  • the figure 30 represents in the form of a table, the different main functions performed by the various variable volume cavities of the machine according to their position in the chamber during a crankshaft revolution when the machine is used in thermal engine mode to internal combustion.
  • the figure 31 also illustrates in the form of a table, the different main functions performed by the different variable volume cavities of the machine according to their position in the chamber during a crankshaft revolution when the machine is used in pneumatic motor mode or steam engine or hydraulic motor.
  • the rotary machine with three pistons 100 has the advantage of having no dead point, that is to say that each motor-generating time of movement occupies a quarter turn (ie 90 °) of the machine, each rotor position has at least one engine time as illustrated in the Figures 30 and 31 . It should be noted that ( figure 31 ), for operation in pneumatic motor mode or steam engine or hydraulic motor, the driving time of a lower chamber 102 is synchronous with the driving time of the extrados chamber 101 opposite to the axis of rotation of the machine.
  • the intrados chambers 102 may have a dead volume which is defined by the volume between two pistons 1, the chamber 2 and the crankshaft 3 when the pistons 1 are at the closest, symmetrical with respect to a passing radial plane. by the axis of rotation of the machine.
  • the dead volume corresponds to the geometric volume of the cavity when it is at its minimum volume at the end of the exhaust, this geometric volume may therefore contain a residual volume of the working fluid. Thanks to the specific geometry of the pistons 1 and the crankshaft 3, the dead volume of the intrados chambers 102 is important to 100% of the cubic capacity of the intrados chamber 102, or very low and less than 5%.
  • the dead volume can be further minimized by changing the geometry of the side faces 115 of the pistons 1 and / or by minimizing the diameter of the revolution cylinders 105 forming the sliding zones 104.
  • An example of minimizing the dead volume is illustrated at Figures 32 and 33 by changing the geometry of the pistons, the figure 32 illustrating the residual dead volume of an intrados chamber 102 without optimization and the figure 33 illustrating the residual dead volume for the same intrados chamber 102 with optimization.
  • Such optimization makes it possible to go from a dead volume of 4% of the displacement of the intrados chamber 102 to a dead volume of less than 0.5% of the cubic capacity, and advantageously a theoretical dead volume equal to 0, and to multiply by example a theoretical compression ratio by 4, up to a value of 150 and without significantly changing the cubic capacity of the cavities 102, this displacement after optimization of the dead volume having varied only 0.2%, and according to section profiles of the crankshaft 3 this displacement of the intrados chamber 102 may be exactly the same before and after optimization of the reduction of the dead volume of said intrados chamber 102.
  • the reduction of this dead volume of the intrados chamber 102 sets implementing mathematical functions involving the geometrical parameters of the machine 100 according to the invention, especially concerning the lateral faces 115 and the joining surfaces between these these lateral 115 and, on one side the intrados face 118, on the other side the extrados face 117.
  • the rotary machine according to the invention makes it possible, for example, to produce an engine pneumatic or steam engine having a power equal to or greater than 3000 Watts at 1000 revolutions per minute at a pressure of 10 bars relative to a small bulk (including an overheating prechamber located outside enclosure 2): 14 , 5 cm long, 11.2 cm wide and 10 cm high for a total displacement of 360 cm3 (cm 3 ), and therefore an admitted geometric volume of 720 cm3 per revolution of crankshaft.
  • the theoretical gross engine torque (ie excluding mechanical and hydraulic losses) of this steam engine according to the invention illustrated in FIG.
  • figure 45 varies between 61 and 85 Newtons.meter (Nm), and its average gross torque on a lap is 78 Nm
  • a double-acting alternating steam engine of total displacement identical to that of the 3-piston machine according to the The invention has a theoretical average gross torque of 57 Nm, 27% lower, for a much larger bulk and mass.
  • the figure 46 illustrates the theoretical gross engine torque, on a crankshaft revolution, as well as the average torque of various rotary machines known from the state of the art (four-piston MRLD machine, rotary double-acting rotary machine).
  • a rotary machine of the MRLD type with 4 extrados chambers, of the same dimensions, of the same external dimensions and of the same ovoid interior profile of the enclosure has a mean theoretical torque of 69.5 Nm, ie 10, 9% lower than that of the machine according to the invention.
  • the rotary machine according to the invention can be used to produce a micro-pump, and advantageously a dosing micro-pump when the intrados and extrados chambers have an identical capacity.
  • a metering micro-pump may have a total cubic capacity of 0.907 cm 3 per revolution (or 907 microliters per revolution) for a space volume of 6.3 cm 3 .
  • the total cubic capacity can advantageously be increased to more than 1.1 cm 3 per revolution, with in this case a cubic capacity of the intrados chamber 41% greater than the displacement of the extrados chamber, and this for the same reduced size: an outer diameter of 20 mm for an axial length of 20 mm.
  • the theoretical dead volume of the extrados chamber is zero, and that of the intrados chamber is less than 0.35% of the cubic capacity of the intrados chamber, ie a theoretical compression ratio of the intrados chamber of 290.
  • Such a micro-pump made of a suitable steel, has a mass of about 50 grams, and allows a pressure difference of greater than 20 bars for the larger displacement variant, greater than 100 bars for the micro-dosing variant. .
  • Such a micro-pump can operate at rotational speeds greater than 1000 revolutions per minute, and develops a hydraulic power of compression of the order of 36 Watt at 1000 revolutions per minute for a pressure differential of 20 bar.
  • the machine according to the invention may be a wheel motor in which the crankshaft 3 is fixed in rotation and the chamber 2, constituting the wheel, rotates.
  • the supply and the discharge of the fluids in this wheel motor is simple since axial by the shaft 4 and the crankshaft 3 which in this case are fixed in rotation, then by the cylinder (s) and bowl (s) of tipping via specially designed channels to access the extrados rooms.
  • the rotating machine with three pistons according to the invention advantageously has pistons, a crankshaft and a solid enclosure.
  • This particular feature allows the pistons, the crankshaft and the enclosure to be able to include means capable of providing additional functions secondary to the main primary functions corresponding to the operating states of the machine in its various possible modes of use: heat engine internal combustion engine, hydraulic motor, pneumatic motor, steam engine (s), pump, compressor, vacuum pump or a combination of its modes.
  • heat engine internal combustion engine hydraulic motor, pneumatic motor, steam engine (s), pump, compressor, vacuum pump or a combination of its modes.
  • these means may be a system performing a hydraulic anti-lock function to prevent the mechanism from locking due to the property of non-compressibility of liquids, during a hydraulic application of the machine according to the invention.
  • This first exemplary embodiment is illustrated in Figures 34 to 36 .
  • the pistons 1, and / or the crankshaft 3, and / or the enclosure 2 have retractable volumes 24 which make it possible to increase the volume, and consequently the displacement, of the intrados chambers 102 and / or extrados 101.
  • These retractable volumes are formed by axial or radial cavities 20 in which slide one or pistons 18 pushed by springs 19, or by any other component able to exert a thrust force, which are dimensioned according to the desired behavior.
  • An embodiment of this anti-lock system is illustrated on the crankshaft 3 to Figures 35 and 36 .
  • this system is also transferable to the pistons 1, intrados side 118 and / or extrados side 117, and the enclosure 2.
  • the figure 43 is a sectional view, according to the cutting plane AA defined at the figure 42 of the deformation of the flexible and impermeable membrane 25 when the pressure P1 in the intrados chamber 102 is greater than the pressure P2 present in the closed cavity 20.
  • the plate which holds the membrane 25 in place and clamped against the crankshaft 3 can be advantageously a grid, visible on the figure 44 , so that the membrane 25 does not deform inside the chamber 102 when the pressure P1 is less than the pressure P2, for example where the chamber 102 is at the inlet and therefore undergoes a possible depression.
  • One of the major advantages of this variant design of cavities 20 through a membrane 25 is its total sealing.
  • these volumes retractable waterproof 24 remain fully operational in their function.
  • the fluid present in the closed cavity 20 may be a gas or a liquid depending on the function assigned to this retractable volume, which is identical to or different from the working fluid in the intrados and / or extrados chambers; its pressure can be regulated by a complementary device internal or external to the machine 100.
  • this system detailed here for the case of retractable volumes 24 in the crankshaft 3, is also adaptable to the pistons 1, intrados side 118 and / or extrados side 117, and on the enclosure 2.
  • the means capable of providing an additional function to the machine may be electromechanical or magnetic components adapted to allow the transmission of torque between the rotary assembly 30 and a rotating shaft outside the machine. (or conversely) so that the chambers of the machine can be completely sealed with respect to the external environment of the machine.
  • Said electromechanical or magnetic components are advantageously housed in the crankshaft 3 or in the pistons 1 and cooperate, through a sealed and nonmagnetic wall, with other electromechanical or magnetic components housed either in the side walls 5a, 5b of the machine, or outside of these, either in the rotation shaft 4 of the machine passing through the crankshaft 3 by its center and not integral with it.
  • the means capable of providing an additional function secondary to the machine can make it possible to improve the trajectory of the input flows (intake flows) and of the output flows (exhaust flows) as well as to regulate the flows in the intrados chambers 102.
  • the means are formed by cylindrical or conical axial notches in the crankshaft 3.
  • the figure 16 illustrates for this purpose an embodiment of a crankshaft 3 having conical axial slots 114; the base of the cone of the notch 114 being oriented towards the axial openings 111 of the flanges 5a, 5b.
  • the means capable of providing an additional function secondary to the machine may make it possible to improve the trajectory of the input flows (intake flows) and of the output streams (exhaust flows) as well as to regulate the flows in the extrados chambers 101.
  • the means are formed by notches in the flanks of the pistons 1.
  • the figure 17 illustrates for this purpose an embodiment of the interior of a rotary machine 100 according to the invention having pistons 1 with notches 121 on the sidewalls 116 forming a passage between the sidewalls 116 and the upper surface 117.
  • the notches 121 can also be replaced by a channel arranged in each piston connecting the upper surface 117 to one or both sides 116 of the piston 1, thereby communicating the passage axial windows 111 of the flanges 5a, 5b with the extrados chambers 101.
  • sealing means may be conventional sealing means commonly used in rotary machines with three pistons or in rotating machines with deformable rhombus.
  • the figure 37 illustrates a piston having at its extrados surface 117 a first embodiment of a sealing means.
  • the seal is made by a cylindrical seal 13 positioned in a cylindrical groove in the piston 1.
  • the cylindrical groove formed in the piston 1 substantially corresponds to the dimensions of the revolution cylinders 105 described above forming the zone sliding piston 104 1.
  • the cylindrical seal 13 is pivotally connected to the piston 1 so as to allow its rotation in the cylindrical groove; the use of combinations of materials and / or surface treatments with appropriate tribological properties makes it possible on the one hand to reduce the friction losses of said pivot connection of the cylindrical seal 13 in the piston 1, and on the other hand to ensure the adhesion of the cylindrical seal 13 against the ovoid surface of the enclosure 2.
  • An improvement of this first embodiment of a sealing means consists in mounting the axis of the cylindrical seal 13 on components of bearing of suitable dimensions, such as ball bearings, needle bearings or plain bearings, said support bearing components of the axis of the seal 13 being housed in the piston 1 so that they can have a controlled radial movement thus making it possible to compensate for the wear play between the cylindrical seal 13 and the enclosure 2.
  • the cylindrical seal 13 rolls on the ovoid surface of the enclosure 2 limiting its wear and losses mechanical.
  • the diameter of the cylindrical seal 13 is carefully calculated from the parameters mathematics of the machine 100 so that it is fully contained in the end of the piston 1 and that the thickness of material between its housing and the side face 115 is sufficient to ensure the necessary mechanical strength.
  • Such an alternative embodiment of the rolling contact sealing makes it possible, in relation to the sealing means of the state of the art, firstly to significantly reduce the mechanical losses in friction between the seal and the enclosure and by therefore, to improve the efficiency of the machine, and secondly to make up for the wear of the seal and consequently to increase the service life of this sealing part.
  • the figure 40 illustrates a piston having at its extrados surface 117 an alternative of the second alternative embodiment of a sealing means described above.
  • the seal is made by a segment 11 pushed against the inner ovoid surface of the chamber 2 by the pressure of the fluid of the intrados and / or extrados chambers.
  • the segment 11 is formed by a bar of rectangular section, one of whose sides has a rounded shape and radius equivalent to the radius of the revolution cylinder 105 of the sliding zone 104. This rounded face allows the piston 1 to move along the enclosure 2.
  • the segment 11 is housed in an axial groove of the piston 1 and is pushed by hydraulic or pneumatic pressure radially towards the chamber 2.
  • Channels 108 and 109 are arranged in the piston 1 so as to connect the axial groove respectively to the intrados chamber 102 and to the extrados chamber 101 of the machine and to allow the arrival of fluid under the segment 11 to exert a radial pressure on the segment 11 which in turn exerts pressure on the inner surface ovoid of the chamber 2 to achieve the seal.
  • This third embodiment may further include a system of valves constituted, for example, by sealing balls of the channels 108 and 109 enclosing the fluid under pressure in the thrust chamber of the segment 11 at the axial groove. Such a system ensures a contact pressure of the segment 11 on the inner surface of the chamber 2 just sufficient to seal, it also allows a recovery of the wear clearance.
  • the Figures 47 and 48 illustrate a fourth variant embodiment of an axial dynamic sealing means between the two flanges 5a and 5b and the parts of the rotary assembly 30, namely the pistons 1 and the crankshaft 3.
  • the figure 47 is an exploded perspective view of the machine 100 for which the openings 111 for the circulation of working fluid, illustrated in FIG. figure 2 , are divided into intake windows 112 formed in the first flange 5a, and discharge windows 113 formed in the second flange 5b.
  • the flange 5b is integral with the stator 2 (shown only on the figure 48 ).
  • a third flange 119 also integral with the stator 2, is positioned in front of the intake flange 5a, opposite side to the chambers, so that an inlet prechamber 125 is created between the two flanges 119 and 5a.
  • the flange 5a is slid inside the stator 2 in the axial direction of the machine, and has on its periphery a first groove for receiving a peripheral seal 123, and a second groove, formed inside the cylindrical passage of the shaft 4, intended to receive a shaft seal 127.
  • the seals 123, 127 ensure the sealing between the chambers, extrados 101 and intrados 102, and the pre-admission chamber 125.
  • the extrados 101 and intrados 102 chambers operate a relaxation of the working fluid. Consequently, the pressure, called P1, corresponding to the pressure of the working fluid upstream of the inlet windows 112 is greater than or equal to the pressure, called P2, of the same working fluid in the intrados chambers 102 and extrados 101 of the machine, in the phase of relaxation then of repression.
  • the inlet prechamber 125 remains continuously under maximum pressure P1, that is to say that of the working fluid at the inlet into the machine via the general intake manifold 129.
  • P1 maximum pressure
  • This constant pressure in the prechamber 125 ensures a thrust of the intake flange 5a against the rotor 30, and a thrust of the rotor 30 against the discharge flange 5b, thereby perfecting the dynamic seal by plane-plane contacts without play and the catch of the wear clearance between the pistons 1 and crankshaft 3 on the one hand and puddles 5a, 5b on the other hand.
  • the intake flange 5a also has orifices 124, allowing the working fluid present in the prechamber 125, under maximum pressure P1, to access the bottom of the two grooves of the flange 5a, ie at the bottom of the peripheral groove and the throat shaft, in order to exert a thrust of the peripheral seal 123 against the ovoid inner surface of the stator 2 and a thrust of the shaft seal 127 against the shaft 4.
  • this sealing means may also be completed by a counter-thrust actuator 126 , preferably housed in the crankshaft 3.
  • this counter-thrust actuator 126 may be embodied by two springs properly sized according to the application surfaces of the pressures P1 and P2 on each side of the flange 5a and the characteristics of the expansion cycle in the chambers 101, 102 so as to to minimize the contact pressures in the axial stack formed by the flange 5a, the pistons 1, the crankshaft 3 and the flange 5b.
  • the counter-thrust force of this actuator 126 may be variable depending on the angle of rotation and the time so that the resulting force of the counter-thrust force of the actuator 126 added to the force pushing against the flange 5a of the working fluid under pressure P2 in the chambers extrados 101 and intrados 102, is continuously equivalent (and in the opposite direction) to the pushing force against the flange 5a of the working fluid under pressure P1 in the prechamber 125.
  • the contact pressures exerted between the flat surfaces flanges 5a, 5b and parts of the rotor 30 are very low or zero.
  • this dynamic sealing means can be completed by fine grooves, made either on the faces of the flanges 5a, 5b located on the chamber side 101, 102 or on the lateral flanks of the pistons 1 and the crankshaft 3. These thin grooves thus play. the role of labyrinthine joints 156 (not visible on the Figures 47 and 48 ).
  • This improvement of the dynamic seal can also be obtained by texturing the same antagonist faces of these same parts, in the form of micro-cells in which a vortex effect is created at the origin of an aerodynamic lift between the two opposing faces. relative motion.
  • This fourth embodiment of a dynamic sealing means is applicable following the same principles when the machine 100 is used in compressor, or hydraulic pump, or vacuum pump.
  • the third flange 119 is placed after the flange 5b comprising the discharge windows 113, opposite side to said intrados and extrados chambers, forming with the latter a post-discharge chamber.
  • the intake flange 5a is integral with the stator 2 and the flange 5b is axially slidable in the stator 2.
  • This fourth embodiment of a dynamic sealing means is applicable according to the same principles when the machine 100 comprises radial working fluid circulation openings, that is to say radially formed in the chamber 2 and / or in the crankshaft 3, to access the intrados chambers 102 and / or extrados 101. Then, the 3 flanges 5a, 5b and 119 are blind and the prechamber 125, or the postchambre, is filled with the pressurized working fluid upstream, respectively downstream of said radial openings.
  • the Figures 49 to 51 illustrate a fifth variant embodiment of a dynamic sealing means of the rotary machine.
  • the sealing means makes it possible to achieve axial and radial sealing.
  • the axial seal is formed between the two flanges 5a and 5b and the parts of the rotary assembly 30, namely the pistons 1 and the crankshaft 3, and the radial seal is formed between the piston 1 and the stator 2 via the contact of a cylindrical seal 13 rolling against the ovoid inner surface of the stator 2 during the rotation of the rotary assembly 30.
  • the general principle of this fifth variant rests on the implementation of aerostatic bearings, thanks to the use of a pressurized operating fluid injected into the flanges 5a, 5b and inside the parts constituting the rotor 30.
  • service fluid can be indifferently a gas or a liquid under pressure, in this second case the bearings are called hydrostatic.
  • the pressurized operating fluid used to feed these aerostatic bearings is the working fluid of the main function of the machine provided in the extrados chambers 101 and / or intrados 102.
  • the machine 100 is a compressor or a pump, part of the flow of the working fluid under pressure is diverted from a post-chamber downstream of the discharge windows 113.
  • the figures 50 and 51 are respectively axial and radial sections of the rotary machine 100 having a dynamic sealing means according to this fifth embodiment.
  • the figures 50 and 51 illustrate more particularly the different channels and grooves conveying the operating fluid under pressure from a post-chamber (not shown) located downstream of the discharge windows 113 to the various aerostatic bearings used in the rotor 30 and the flanges 5a, 5b.
  • these aerostatic bearings consist either of a pressurized fluid pocket in one of the two antagonistic parts of the sliding contact, as illustrated at the pivot connection 106, aerostatic pocket whose opening dimensions are calculated according to the lift pressure sought between the opposing surfaces, either by porous micro-cellular materials.
  • These materials have the advantage of creating a very uniform pressure field over their entire diffusion surface of the pressurized operating fluid and, in the case of the contacts listed above, the formation of a thin film of said service fluid in the mechanical clearance existing between the opposing surfaces in relative motion relative to each other. As a result, the two opposing surfaces slide on this pressurized service fluid film.
  • This fluid film operates a lift effect of the opposing surfaces that are no longer touching, and thus ensures their dynamic sealing with an extremely low coefficient of friction, depending on the viscosity of the used operating fluid (of the order of 0.00001 when this service fluid is air).
  • Other mechanical solutions for these aerostatic or hydrostatic bearings can be implemented as alternatives to the two examples of solutions described above and illustrated in this fifth variant of dynamic sealing means.
  • the pressurized operating fluid passes through the discharge flange 5b via an axial channel 141. It fills the circular groove 142 to allow continuous diffusion in the axial channels 144 crankshaft 3 in rotation relative to the flange 5b.
  • the service fluid is also propagated to the aerostatic shaft bearing 152 and the annular aerostatic bearing 151 via the radial channels 143 formed in the flange 5b. From the axial channels 144 of the crankshaft 3, the pressurized operating fluid gains on the one hand the other flange 5a for supplying the two other aerostatic bearings 151,152, and on the other hand the pivot connection 106 via the radial channels 145 of the crankshaft 3.
  • the access channels of the pressurized operating fluid inside the crankshaft 3 can also be made in the rotation shaft 4 of the machine.
  • the pressurized operating fluid fills the aerostatic bearing bag 155 formed in the tilting bowl 127 and whose pressure force is exerted against the tilting cylinder 107, bearing it .
  • the width of this aerostatic ball bearing 155 in the radial plane is calculated so that the continuity of the distribution of the operating fluid between the radial channel 145 of the crankshaft 3 and the radial channel 146 of the piston 1 is ensured whatever the position of the piston 1 during the rotation of the rotor 30.
  • the pressurized operating fluid is conveyed to the planar aerostatic bearings 153 and the semi-cylindrical aerostatic bearings 154 via the terminal channels axial 147 and radial end channels 148.
  • the sintering process of the powders may be particularly suitable for producing such solid porous pistons 1, followed by a calibration operation to obtain the desired dimensional and geometrical accuracies, and then a surface treatment to seal the faces of the piston 1 not intended to have an aerostatic bearing function, it is ie those defining the extrados 101 and intrados 102 chambers.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne une machine volumique rotative à trois pistons comportant une enceinte extérieure formant un stator dans laquelle se déplace un rotor formé de trois pistons articulés en leurs milieux sur une manivelle à trois branches.
  • La présente invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des moteurs à combustion, des turbines, des compresseurs, des pompes, des moteurs hydrauliques, des moteurs pneumatiques, des pompes à vide, et des moteurs à vapeurs.
    • ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
  • Le principe des machines rotatives à trois pistons rotatifs dans une enceinte au moyen d'une manivelle a été décrit depuis longtemps, notamment dans le brevet US 3,349,757 (J.I.M. Artajo ), la demande de brevet WO 94/16208 (B. Tan ). Ces machines sont couramment utilisées comme moteur ou comme pompe.
  • Par la suite, ces machines rotatives à trois pistons ont été adaptées pour fonctionner dans des enceintes de machines rotatives à losange déformable (MRLD) présentant une géométrie extérieure non circulaire et adaptée pour recevoir un rotor en forme de losange déformable. Par ailleurs, des machines rotatives à losange déformable à quatre pistons chaînés présentent des particularités géométriques qui sont largement connues et divulguées notamment dans le brevet FR0805177 (V. Génissieux ) ou encore dans la demande de brevet WO8600370 (Contiero ).
  • La possibilité de faire tourner un rotor avec trois pistons articulés en leur milieu sur une manivelle à trois branches à 120° dans une enceinte présentant un profil de machine MRLD est connu et décrit notamment dans les brevets FR 1.404.353 (J. Lemaître, et al ) et US 3,295,505 (A. Jordan ).
  • Cependant, ces machines rotatives à trois pistons de l'état de la technique sont limitées et peu efficaces. En effet, seules les cavités à volume variable externes (cavités formées entre les pistons et l'enceinte) des machines sont fonctionnelles, c'est-à-dire qu'elles réalisent une fonction sur le fluide de travail en adéquation avec l'utilisation primaire de la machine, par exemple admission, compression, échappement pour un mode moteur ou encore aspiration, refoulement pour un mode pompe. Le volume central, c'est-à-dire formé sous les pistons, quant à lui est inutilisé ou utilisé comme fonction secondaire de la machine, elle permet par exemple de réalisation une fonction de refroidissement dans le brevet US 3,295,505 (A. Jordan ) ou encore de lubrification dans d'autres applications.
  • Par conséquent, ces machines rotatives à trois pistons présentent une efficacité peu intéressante, notamment en comparaison aux machines à losange déformable à quatre pistons.
  • Dans les brevets DE 1,451,741 et DE 2,047,732 de G. FINSTERHOELZL , la machine décrite, dont les géométries sont incompatibles avec les profils des enceintes de type MRLD, présente trois cavités à volume variable formées sous ses pistons, mais ces trois chambres n'assurent que des fonctions accessoires comme la lubrification. La cylindrée de ces trois chambres formées sous le piston est faible par rapport à celle des chambres externes, et ne peut intrinsèquement pas être augmentée et ne peut en aucun cas égaler la cylindrée des cavités à volume variable externes.
  • Dans ce contexte, l'invention vise à fournir une machine rotative à trois pistons présentant un ratio puissance/encombrement et un ratio puissance/masse plus intéressants que les machines à trois pistons de l'état de la technique, de l'ordre de 2 à 2,5 fois supérieurs, tout en étant plus avantageux économiquement que les machines à quatre pistons chaînés qui présentent un nombre important de pièces et sont de plus complexes à réaliser.
  • A cette fin, l'invention a pour objet une machine volumique rotative à trois pistons comportant une enceinte formant stator dans laquelle se déplace un ensemble rotatif formant rotor comprenant un vilebrequin coopérant mécaniquement avec les pistons, l'ensemble rotatif définissant à l'intérieur de ladite enceinte six chambres à volume variable dont le volume varie lors de la rotation de l'ensemble rotatif, chacun des pistons délimitant avec l'enceinte une chambre à volume variable dite chambre extrados et deux pistons consécutifs délimitant avec l'enceinte et le vilebrequin une chambre à volume variable dite chambre intrados, ladite machine étant caractérisée en ce que la géométrie des pistons et du vilebrequin est adaptée de manière à ce que chaque chambre intrados présente une cylindrée égale ou supérieure à la cylindrée des chambres extrados.
  • On entend par les termes « cylindrée égale », une cylindrée équivalente à ± 20%.
  • La machine rotative à trois pistons selon l'invention a pour avantage d'utiliser le volume interne entre les pistons de manière à former des chambres supplémentaires étanches, dites chambres intrados, par la complémentarité géométrique des pistons et du vilebrequin qui délimite des chambres intrados à volume variable lors de la rotation de la machine, de sorte que cette complémentarité est dynamique en ce que les surfaces complémentaires des pistons et du vilebrequin s'éloignent et se rapprochent (jusqu'à être en contact lorsque la chambre intrados est à son volume minimum ou proche de son volume minimum) alternativement au cours de la rotation pour créer cette variation de volume de la chambre intrados. Il convient de noter que les géométries des surfaces du piston et du vilebrequin délimitant la chambre intrados, dynamiquement complémentaires, sont liées par une fonction mathématique des différents paramètres géométriques de la machine.
  • La complémentarité géométrique dynamique ainsi que la réalisation de profils particuliers des pistons et du vilebrequin est une condition sine qua none pour pouvoir réaliser une machine 3 pistons selon l'invention dont les chambres intrados ont une même cylindrée de travail que celle des chambres extrados ou une cylindrée supérieure, alors que les cylindrées des chambres intrados des machines rotative à trois pistons selon l'état de la technique sont plutôt généralement de l'ordre de 10% à 20% de la cylindrée des chambres extrados. Ainsi, grâce à l'invention il est possible de réaliser des fonctions dans les chambres intrados qui sont identiques aux fonctions réalisées dans les chambres extrados, soit les fonctions principales de la machine lorsqu'elle est utilisée en mode moteur thermique à combustion interne, moteur hydraulique, moteur pneumatique, moteur à vapeur, pompe, compresseur, pompe à vide, ou encore d'une combinaison de ces modes d'utilisation.
  • La complémentarité géométrique dynamique des pistons et du vilebrequin permet également de proposer une machine de réalisation simple et robuste par l'utilisation du principe de la transmission directe qui peut transmettre des couples importants sans utiliser un système différentiel à l'inverse des machines quatre pistons reliés connues dans l'état de la technique et des machines MRLD.
  • La machine rotative à trois pistons selon l'invention permet de réaliser des machines efficaces tout en réduisant le nombre de pièces utiles, en les simplifiant et par conséquent en réduisant le coût de réalisation d'une telle machine par rapport aux machines à quatre pistons reliés.
  • La réduction du nombre de pièces, la simplification de la transmission du couple des pistons vers le vilebrequin (ou inversement) ainsi que l'utilisation de trois pistons permet également de pouvoir miniaturiser la machine et donc obtenir des ratios puissance/encombrement et puissance/masse compétitifs et très supérieurs aux machines rotatives à trois pistons ou à quatre pistons chaînés connus de l'état de la technique.
  • La machine selon l'invention présente six chambres à volume variable qui sont toutes aptes à réaliser les différentes fonctions d'un cycle caractérisant le fonctionnement d'un moteur thermique à combustion interne, d'un moteur pneumatique, d'un moteur à vapeur, d'un moteur hydraulique, d'une pompe à vide, d'un compresseur, d'une pompe, etc.
  • La machine rotative à trois pistons selon l'invention présente une géométrie interne bien spécifique et différente des machines à quatre pistons, les pistons n'ayant pas de contact entre eux contrairement aux machines à quatre pistons formant une chaîne cinématique fermée, l'enseignement des machines à quatre pistons n'est par conséquent pas directement applicable aux machines rotatives à trois pistons selon l'invention présentant une géométrie interne différente et dont l'entraînement se réalise directement par les formes géométriques complémentaires entre les pistons et le vilebrequin.
  • La machine rotative à trois pistons selon l'invention a également pour avantage de permettre l'intégration de moyens permettant de réaliser des fonctions additionnelles secondaires aux fonctions primaires principales intrinsèques au fonctionnement de la machine sans pour autant utiliser les chambres intrados ou extrados qui sont utilisables pour réaliser les fonctions primaires nécessaires à la fonction principale de la machine. Ainsi, à titre d'exemple des tels moyens peuvent être l'utilisation de pistons et d'un vilebrequin capacitif. On entend par capacitif la possibilité de stocker temporairement puis déstocker une partie du fluide en transit dans les chambres intrados et/ou extrados par l'intermédiaire de cavités escamotables. Dans une application où le fluide de travail est un liquide, cette capacité peut jouer le rôle de dispositif d'anti-blocage hydraulique.
  • Par ailleurs, en comparaison avec une machine de type MRLD avec quatre pistons reliés et formant une chaîne fermée, et présentant également des cavités à volume variable internes et externes, la machine rotative à trois pistons selon l'invention permet d'obtenir une cylindrée de la chambre intrados jusqu'à 70% supérieure à la cylindrée de la chambre intrados de la machine avec quatre pistons reliés, et une cylindrée totale par tour jusqu'à 22% supérieure à la cylindrée totale d'une machine rotative à quatre pistons reliés, les deux machines ayant les mêmes profils intérieurs ovoïdes de l'enceinte. En conséquence, la puissance développée par la machine étant proportionnelle au débit, la machine MRLD à trois pistons selon l'invention permet d'avoir une densité de puissance, par unité de volume ou par unité de masse, jusqu'à 22% supérieure aux machines à quatre pistons reliés de l'état de la technique.
  • La machine volumique rotative à trois pistons selon l'invention vise également à améliorer significativement l'efficacité énergétique des machines rotatives connues et citées précédemment, à 3 pistons ou à 4 pistons, c'est-à-dire améliorer le rendement global, et ce par les apports d'un certain nombre de moyens tels que :
    • des moyens d'étanchéité dynamique axiale et/ou radiale réduisant significativement les pertes mécaniques, donc améliorant le rendement mécanique de la machine ;
    • des moyens de réduction des volumes morts, améliorant ainsi le rendement volumétrique de la machine ;
    • l'intégration de fonctions additionnelles secondaires permettant notamment l'augmentation du volume des chambres et une meilleure gestion des paramètres physiques des fluides de travail dans les six chambres, et/ou une motricité interne à la machine pour réduire les pertes mécaniques de la transmission et permettre une étanchéité totale avec l'extérieur de la machine ;
    • des moyens aptes à améliorer l'écoulement des flux et la gestion des temps d'admission et d'échappement, de manière à réduire les pertes de charge.
  • La machine volumique rotative à trois pistons selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
    • l'enceinte comporte un profil en accord avec les règles géométriques imposées dans les machines rotatives à losange déformable (MRLD) ;
    • la cylindrée de chaque chambre intrados est jusqu'à 50% supérieure à la cylindrée des chambres extrados ;
    • chaque piston présente une surface intrados présentant un profil complémentaire du profil de la surface extérieure du vilebrequin de sorte que chaque piston est apte à venir épouser la forme du vilebrequin lors de la rotation de la machine, jusqu'à contact entre la surface intrados du piston et la surface complémentaire du vilebrequin lorsque la chambre intrados est à son volume minimum ou proche de son volume minimum ; et suivant un principe de rapprochement et d'éloignement alternatifs desdites surfaces complémentaires l'une de l'autre au cours de la rotation de l'ensemble rotatif ;
    • lesdits pistons s'articulent avec le vilebrequin au moyen d'une liaison pivot présentant un axe de basculement parallèle à l'axe de rotation du système rotatif, ladite liaison pivot étant formée par un cylindre de basculement agencé sur les pistons coopérant avec une cuvette de forme concave complémentaire dudit cylindre de basculement, dite cuvette de basculement, agencée sur le vilebrequin ;
    • lesdits pistons s'articulent avec le vilebrequin au moyen d'une liaison pivot présentant un axe de basculement parallèle à l'axe de rotation du système rotatif, ladite liaison pivot étant formée par un cylindre de basculement agencé sur ledit vilebrequin coopérant avec une cuvette de forme concave complémentaire dudit cylindre de basculement, dite cuvette de basculement, agencée sur les pistons ;
    • lesdits pistons s'articulent avec le vilebrequin au moyen d'une liaison pivot présentant un axe de basculement parallèle à l'axe de rotation du système rotatif, ladite liaison pivot étant formée par une charnière présentant des cylindres de basculement agencés alternativement sur le vilebrequin et sur les pistons, les cylindres de basculement coopérant avec des cuvettes de basculement, l'ensemble étant maintenu par un axe traversant les cylindres de basculement ;
    • lesdits pistons s'articulent avec le vilebrequin au moyen d'une liaison pivot présentant un axe de basculement parallèle à l'axe de rotation du système rotatif, ladite liaison pivot étant formée par un cylindre de basculement indépendant du vilebrequin et des pistons, et coopérant avec deux cuvettes de forme concave complémentaire dudit cylindre de basculement, dites cuvettes de basculement, la première étant agencée sur les pistons la seconde étant agencée sur le vilebrequin ;
    • lesdits pistons s'articulent avec le vilebrequin au moyen d'une liaison pivot présentant un axe de basculement parallèle à l'axe de rotation du système rotatif, ladite liaison pivot étant formée par un élément flexible encastré dans deux gorges agencées longitudinalement dans le vilebrequin et dans les pistons ;
    • ledit élément flexible est formé par une lame flexible ou par un ensemble de lames flexibles juxtaposées ;
    • ledit élément flexible est une pièce en matière souple dont l'armature présente une section apte à améliorer la résistance à la fatigue dudit élément flexible ;
    • lesdits pistons et/ou ledit vilebrequin et/ou ladite enceinte présente(nt) des moyens aptes à apporter des fonctions additionnelles secondaires aux fonctions primaires principales de la machine réalisées dans les chambres extrados et intrados à volume variable ;
    • lesdits moyens sont des volumes escamotables modifiant le volume des chambres intrados et/ou extrados ;
    • lesdits moyens sont formés par des cavités axiales ou radiales dans lesquelles coulissent des pistons poussés par des composants mécaniques aptes à exercer une force de poussée tels que des ressorts calibrés;
    • lesdits moyens sont formés par des cavités axiales ou radiales, fermées par une membrane souple assurant une étanchéité totale avec les chambres intrados et/ou les chambres extrados, et formant ainsi lesdits volumes escamotables ;
    • lesdits moyens sont formés par des composants électromécaniques ou magnétiques adaptés pour transmettre un couple entre l'ensemble rotatif et un arbre d'entraînement, extérieur à l'enceinte ou traversant la machine en son centre ;
    • les pistons présentent une géométrie adaptée pour réaliser des chambres intrados avec un volume mort compris entre 0% et 100% de la cylindrée de ladite chambre ;
    • les pistons présentent une géométrie adaptée pour réaliser des chambres intrados présentant un taux de compression théorique égal à ± 20% ou supérieur à celui des chambres extrados ; On entend par taux de compression théorique le rapport entre le volume géométrique maximum de la chambre et le volume géométrique mort résiduel, ce qui ne tient pas compte du débit de fuite de la chambre.
    • les pistons présentent une géométrie adaptée pour réaliser des chambres intrados présentant un taux de compression théorique jusqu'à 290 ;
    • ledit vilebrequin présente des encoches aménagées sur la surface extérieure du vilebrequin, lesdites encoches étant aptes à améliorer la trajectoire et à fournir un réglage des flux d'admission et d'échappement dans lesdites chambres intrados ;
    • ladite enceinte est fermée latéralement par deux flasques présentant des ouvertures permettant l'admission et l'échappement de fluides dans les chambres intrados et/ou extrados ; lesdites ouvertures pouvant avantageusement être en communication exclusivement avec lesdites chambres intrados ;
    • les pistons, les flasques, l'arbre et le vilebrequin comportent des moyens d'étanchéité pour réaliser une étanchéité dynamique radiale entre les pistons et l'enceinte et une étanchéité dynamique axiale entre les flasques et l'ensemble rotatif, lesdits moyens d'étanchéité étant formés par des paliers aérostatiques, ou hydrostatiques alimentés par un fluide de service sous pression ; les paliers aérostatiques ou hydrostatiques opérant directement entre deux surfaces antagonistes à étancher ou assurant une liaison pivot de joints tournants aptes à rouler sur l'enceinte lors de la rotation des pistons, de sorte que lesdits moyens d'étanchéité dynamiques réduisent significativement les pertes mécaniques et l'usure ;
    • lesdits paliers aérostatiques ou hydrostatiques sont alimentés par un fluide de service sous pression véhiculé par une pluralité de canaux et de gorges ménagés à l'intérieur des pistons, des flasques, de l'arbre et du vilebrequin, de sorte que l'encombrement et la masse de la machine sont nullement impactés par la mise en oeuvre de ces moyens d'étanchéité dynamique ni par l'adjonction d'un générateur externe de ce fluide de service sous pression ;
    • ledit fluide de service est avantageusement un piquage du fluide de travail de la machine ;
    • ladite enceinte est fermée latéralement par deux flasques d'extrémité présentant des ouvertures permettant l'admission ou l'échappement de fluides dans les chambres intrados et/ou extrados, ladite enceinte comportant un troisième flasque libre en translation axiale dans l'enceinte formant entre l'ensemble rotatif et un flasque d'extrémité une préchambre d'admission ou une postchambre d'échappement de fluides ;
    • ledit flasque libre en translation axiale comporte des moyens d'étanchéité pour assurer l'étanchéité entre les chambres intrados et/ou extrados et la préchambre formée par le flasque libre en translation ; lesdits moyens d'étanchéité étant assurés par la mobilité axiale du flasque libre en translation dans l'enceinte sous l'effet de la pression du fluide de travail, de sorte que les jeux mécaniques sont nuls entre les surfaces antagonistes de empilement axial constitué par le flasque libre en translation, l'ensemble rotatif et le flasque d'extrémité opposé, réduisant ainsi significativement les fuites du fluide de travail des chambres intrados et/ou extrados, et de sorte que cette mobilité axiale de l'un des deux flasques de fermeture des chambres intrados et extrados permet le rattrapage du jeu d'usure desdites surfaces antagonistes dudit empilement axial ;
    • l'ensemble mobile comporte un actionneur de contre-poussée adapté pour équilibrer les pressions exercées de part et d'autre dudit flasque libre en translation axiale, de sorte que la pression de contact entre les surfaces antagonistes dudit empilement axial est quasi nulle, réduisant ainsi significativement les pertes mécaniques en frottement entre les surfaces antagonistes en frottement dans ledit empilement axial ;
    • lesdits pistons présentent deux flancs latéraux, au moins un des deux flancs présentant une encoche radiale positionnée en regard d'une ou de plusieurs ouvertures agencées sur les flasques ;
    • lesdits pistons présentent deux flancs latéraux et une surface extrados en regard de l'enceinte, chaque piston comportant un canal interne reliant la surface extrados à au moins un des deux flancs en regard d'une ou de plusieurs ouvertures agencées sur les flasques ;
    • les pistons comportent des moyens d'étanchéité pour réaliser une étanchéité entre lesdits pistons et l'enceinte, lesdits moyens d'étanchéité étant formés par des joints tournants aptes à rouler sur l'enceinte lors de la rotation des pistons ou par des joints calibrables dont la pression de contact sur l'enceinte est ajustable en fonction de la pression dans les chambres intrados et/ou extrados, de sorte que lesdits joints réduisent significativement les pertes mécaniques et rattrapent le jeu d'usure ;
    • au moins un piston présente une jupe solidarisée sur un des flancs latéraux dudit piston, ladite au moins une jupe présentant un profil supérieur similaire au profil extrados du piston.
  • L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et en référence aux figures dont la liste est donnée ci-dessous.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
    • La figure 1 illustre l'intérieur d'un mode de réalisation de la machine rotative à trois pistons selon l'invention ;
    • La figure 2 illustre une vue éclatée en perspective du premier mode de réalisation de la machine rotative à trois pistons selon l'invention ;
    • Les figures 3 à 14 illustrent des variantes de réalisation de la liaison pivot de la machine rotative illustrée aux figures 1 et 2, où ;
      • les figures 3 et 4 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une première variante de réalisation ;
      • les figures 5 et 6 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une deuxième variante de réalisation ;
      • les figures 7 et 8 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une troisième variante de réalisation ;
      • les figures 9 et 10 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une quatrième variante de réalisation ;
      • les figures 11 et 12 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une cinquième variante de réalisation ;
      • les figures 13 et 14 illustrent l'intérieur d'une machine rotative selon une sixième variante de réalisation ;
    • La figure 15 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un piston d'une machine rotative à trois pistons selon l'invention ;
    • La figure 16 est une vue en perspective d'une variante de réalisation du vilebrequin d'une machine rotative à trois pistons selon l'invention ;
    • La figure 17 est une vue en perspective d'une variante de réalisation de la machine rotative à trois pistons selon l'invention ;
    • Les figures 18 à 29 illustrent l'évolution des cavités externes et internes d'une machine rotative à trois pistons selon l'invention, représentée par des vues en coupe simplifiée ;
    • La figure 30 est un tableau indiquant les différentes fonctions réalisées par les cavités de la machine lors d'un tour de la machine lorsque celle-ci est utilisée comme moteur thermique à combustion interne ;
    • La figure 31 est un tableau indiquant les différentes fonctions réalisées par les cavités de la machine lors d'un tour de la machine lorsque celle-ci est utilisée comme moteur pneumatique ou moteur à vapeur ;
    • Les figures 32 et 33 sont des vues de détails d'une chambre intrados de la machine rotative selon l'invention selon deux modes de réalisation différents, représentées par une vue en coupe simplifiée ;
    • Les figures 34 à 36 illustrent une autre variante de réalisation de la machine rotative selon l'invention dans lesquelles :
      • la figure 34 est une vue en coupe de la machine rotative selon cette variante de réalisation ;
      • la figure 35 est une vue en perspective du vilebrequin selon cette variante de réalisation ;
      • la figure 36 est une vue en coupe radiale du vilebrequin illustré à la figure 35.
    • La figure 37 illustre schématiquement un piston comportant au niveau de sa surface extrados une première variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité ;
    • Les figures 38 et 39 illustrent schématiquement l'extrémité d'un piston comportant une deuxième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité dans deux états différents ;
    • La figure 40 illustre schématiquement un piston comportant au niveau de sa surface extrados une troisième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité.
    • Les figures 41 à 44 illustrent une autre variante de réalisation de la machine rotative selon l'invention dans lesquelles :
      • la figure 41 est une vue éclatée en perspective du vilebrequin selon cette autre variante de réalisation ;
      • la figure 42 est une vue de côté du vilebrequin selon cette autre variante de réalisation ;
      • la figure 43 est une vue en coupe du vilebrequin selon cette autre variante de réalisation, selon le plan de coupe A-A défini sur la figure 42 ;
      • la figure 44 est une vue en perspective d'une alternative à l'une des pièces du vilebrequin selon cette autre variante de réalisation.
    • Les figures 45 et 46 illustrent les variations de couple brut théorique dans la machine rotative selon l'invention, utilisée en mode moteur pneumatique, ou à vapeur ou hydraulique, en comparaison avec d'autres machines équivalentes.
    • Les figures 47 et 48 illustrent une quatrième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité de la machine rotative selon l'invention, selon lesquelles :
      • la figure 47 est une vue éclatée en perspective de la machine rotative dans laquelle le stator n'est pas représenté ;
      • la figure 48 est une vue en coupe axiale, selon la même perspective que la figure 47, et suivant un plan incliné passant par l'axe de rotation de la machine.
    • Les figures 49 à 51 illustrent une cinquième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité de la machine rotative selon l'invention, selon lesquelles :
      • la figure 49 est une vue éclatée en perspective de la machine rotative dans laquelle le stator et le premier flasque ne sont pas représentés ;
      • la figure 50 est une coupe axiale de la machine rotative ;
      • la figure 51 est une coupe radiale suivant le plan médian des pistons.
    DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION
  • La figure 1 illustre une vue en coupe d'un premier mode de réalisation de la machine rotative à trois pistons selon l'invention et la figure 2 illustre une vue éclatée de l'ensemble de la machine de ce premier mode de réalisation.
  • La machine rotative à trois pistons 100 comporte une enceinte périphérique 2 formant stator et définissant l'enceinte de réception d'un ensemble mobile 30 formant rotor et étant constitué par un arbre central 4 solidaire ou non d'un vilebrequin 3 coopérant avec trois pistons 1.
  • Le stator 2 a une forme générale tubulaire de section ovale, dont le profil ovoïde est de préférence en accord avec les règles géométriques imposées dans les machines rotatives à losange déformable (MRLD). Ces règles de conception sont notamment connues et décrites dans les documents de l'état de la technique, comme par exemple la demande de brevet FR 2,493,397 de J.P. AMBERT . L'enceinte 2 est fermée latéralement par deux flasques 5a et 5b pouvant présenter des ouvertures 111 pour la circulation de fluides ainsi que des paliers 103 ou roulements en leurs centres pour le guidage en rotation de l'arbre 4 et/ou du vilebrequin 3.
  • Le vilebrequin 3, solidaire ou non de l'arbre 4, est indifféremment une pièce massive ou une pièce feuilletée présentant une largeur (dans le sens axial de la machine, c'est-à-dire dans le sens de l'axe de rotation de l'ensemble mobile 30) sensiblement équivalente à la largeur de l'enceinte 2. Le vilebrequin 3 présente alors un contact glissant avec les flasques 5a et 5b lors de la rotation de la machine 100.
  • Selon une variante de réalisation, la largeur du vilebrequin peut être inférieure à la largeur de l'enceinte 2 de sorte que le vilebrequin ne présente pas de contact avec les flasques 5a, 5b.
  • Les pistons 1 présentent une largeur égale à la largeur de l'enceinte 2, ou égale à la largeur du vilebrequin 3, et sont donc en contact glissant avec les flasques 5a et 5b bordant l'enceinte 2. Chaque piston 1 présente une surface extérieure 117 présentant une courbure cycloïde formant l'extrados du piston et une surface intérieure 118 formant l'intrados du piston 1.
  • Aux extrémités de leur surface extrados 117, les pistons 1 présentent deux zones de glissement 104, symbolisées par exemple par une rupture de la courbure cycloïde de la surface extrados 117. Ces zones de glissement 104 sont destinées à être en contact avec la surface intérieure de l'enceinte 2 et à favoriser l'étanchéité des pistons 1 lors du fonctionnement de la machine 100. Les zones de glissement 104 sont formées par des secteurs de cylindres de révolution 105 réalisant une rupture de forme avec la surface cycloïde extrados 117 ; les cylindres de révolution 105 et la surface cycloïde extrados 117 étant tangents. Les cylindres de révolution 105 complets sont représentés en pointillés à la figure 1 pour une meilleure visibilité. Les cylindres de révolution 105 formant ces zones de glissement 104 peuvent présenter des diamètres plus au moins importants, y compris des diamètres nuls, formant ainsi des zones de glissement 104 plus ou moins grandes qui seront adaptées en fonction des besoins, des caractéristiques et de l'architecture de la machine rotative 100.
  • Les pistons 1 et le vilebrequin 3 coopèrent ensemble au moyen d'une liaison pivot 106 adaptée pour permettre le basculement et la rotation des pistons 1 dans l'enceinte 2, dont le profil intérieur est avantageusement un profil de type MRLD, pour permettre à la surface de l'intrados de venir épouser la surface complémentaire du vilebrequin 3, et pour permettre la transmission d'un couple des pistons 1 vers le vilebrequin 3 ou inversement.
  • Pour tourner dans un profil de type MRLD, la machine 100 selon l'invention présente également les caractéristiques géométriques suivantes :
    • l'axe de basculement ou de rotation de la liaison pivot 106 est parallèle à l'axe central de rotation de l'arbre de transmission 4 et est positionné au milieu M d'un segment [AB] défini par la droite reliant les centres A et B des cylindres de révolution 105 formant les zones de glissement 104 des pistons 1 ;
    • l'axe de basculement de la liaison pivot 106 et l'axe de rotation du vilebrequin 3 sont définis à une distance OM égale à la moitié du segment [AB].
  • Selon le premier mode de réalisation illustré aux figures 1 et 2, la liaison pivot 106 forme un moyen de basculement constitué par un cylindre de basculement 107 (partie mâle convexe de la liaison pivot 106) au milieu de la surface intrados 118 des pistons 1 coopérant avec une cuvette de basculement 127 présentant une forme concave complémentaire du cylindre de basculement 107 (partie femelle de la liaison pivot 106), aménagée dans le vilebrequin 3, le basculement du cylindre de basculement 107 dans la cuvette de basculement 127 permettant la rotation des pistons 1 dans l'enceinte 2 et le basculement alternatif des pistons 1 par rapport au vilebrequin 3 autour de la liaison pivot 106 assurant ainsi la variation de volume des chambres intrados 102.
  • Le cylindre de basculement 107 est étendu au moins sur une partie de la largeur du vilebrequin 3 tel que visible sur la figure 2. La surface de contact entre le cylindre de basculement 107 et la cuvette de basculement 127 s'étend sur un secteur angulaire suffisant pour interdire au cylindre de basculement 107 de sortir de la cuvette de basculement 127 ce qui provoquerait le coincement du piston 1 entre l'enceinte 2 et le vilebrequin 3. Ce secteur angulaire suffisant est directement dépendant des paramètres mathématiques de l'ovoïde de l'enceinte 2, de ceux de la surface intrados 118 et de ceux de la surface extérieure du vilebrequin 3.
  • Pour limiter les frottements de pivotement de la liaison pivot 106, des roulements peuvent avantageusement être logés dans les parties mâles du cylindre de basculement 107 ou dans les parties femelles de celle-ci, tels que par exemple des paliers lisses ou tout autre moyen de type de roulement apte à supporter ce mouvement alternatif de basculement et apte à résister au phénomène d'usure de contact et de fretting (usure dans le cas d'un contact à mouvement oscillatoire de faible amplitude).
  • Selon une première variante de réalisation de la liaison pivot illustrée aux figures 3 à 10, le cylindre de basculement 207, i.e. la partie mâle de la liaison pivot 206, est agencé sur le vilebrequin 3 et la cuvette concave de basculement 227, i.e. la partie femelle de la liaison pivot 206, est agencée sur le piston 1. Dans cette variante de réalisation, la partie femelle et la partie mâle présente une zone de contact de plus d'une demi-section du cylindre de basculement, i.e. supérieure à 180°. Cette zone de contact importante permet avantageusement la récupération de la force centrifuge du piston 1 par le vilebrequin 3.
  • Quelle que soit la variante de réalisation de la liaison pivot 106, le cylindre de basculement 207, c'est-à-dire la partie mâle, peut être un élément rapporté sur le vilebrequin 3 ou encore sur l'intrados du piston 1, de manière à simplifier la gamme de fabrication d'une telle machine et abaisser le coût de réalisation des pièces.
  • Selon une deuxième variante de réalisation de la liaison pivot (non illustrée), le cylindre de basculement est une pièce indépendante du vilebrequin 3 et des pistons 1. Dans cette variante de réalisation, le cylindre de basculement coopère avec deux cuvettes concaves de basculement agencées à la fois sur le vilebrequin 3 et sur les pistons 1.
  • La transmission du mouvement entre le vilebrequin 3 et les pistons 1 est assurée par une force tangentielle transmise entre la partie femelle et la partie mâle de la liaison pivot 106, 206, le sens de la transmission de la force tangentielle dépendant de la variante de réalisation de la liaison pivot 106, 206 mais également du sens de transmission du couple de rotation, c'est-à-dire des pistons 1 vers le vilebrequin 3 ou inversement.
  • Selon une troisième variante de réalisation de la liaison pivot, illustrée aux figures 11 et 12, la liaison pivot est formée par une liaison charnière 306 présentant des cylindres de basculement 307 agencés alternativement sur le vilebrequin 3 et sur les pistons 1, coopérant avec des cuvettes de basculement 317, l'ensemble étant maintenu par un axe 10 traversant les différents cylindres de basculement 307. Dans cette variante de réalisation, le basculement et la transmission des efforts sont réalisés par l'axe 10 de la charnière 306 qui a également pour fonction de reprendre l'effort centrifuge appliqué aux pistons 1.
  • Pour limiter les frottements et l'usure par contact, cette liaison pivot 106 peut être réalisée au moyen d'une matière présentant un coefficient de frottement faible et avec éventuellement un traitement de surface. Il est également envisagé de limiter les frottements de la liaison pivot 106, 206, 306 par l'emploi de composant de roulement adaptés, tels que par exemple des paliers lisses, des roulements à billes ou à aiguilles. Il est également envisagé de limiter les frottements de la zone de contact de la liaison pivot 106, 206, 306 par la création d'un film hydrodynamique, ou aérodynamique. Ce film hydrodynamique de faible épaisseur est produit par intégration d'une partie du débit du fluide compressé entre la partie mâle et la partie femelle de la liaison pivot 106, 206, 306 de manière à favoriser le glissement lors du basculement.
  • Selon une quatrième variante de réalisation de la liaison pivot 406, illustrée aux figures 13 et 14, la liaison de pivot 406 est formée par une ou plusieurs pièces flexibles ayant une forme générale de lame 15 s'étendant au moins sur une partie de la longueur du vilebrequin 3 et/ou des pistons 1. Ces lames flexibles 15 sont positionnées dans deux gorges 131, 132 agencées selon une direction parallèle à l'axe de basculement de la liaison pivot 406, respectivement dans les pistons 1 et dans le vilebrequin 3. Les lames flexibles 15 peuvent être réalisées par une superposition de lames fines flexibles, ou par l'utilisation d'une matière plastique souple, telle qu'un élastomère, présentant des caractéristiques mécaniques permettant de résister de manière avantageuse au phénomène de fatigue. Avantageusement, la pièce flexible peut également présenter une armature spécifique présentant une section apte à améliorer la résistance à la fatigue de la pièce flexible, telle que par exemple une section en forme de X.
  • Une telle lame flexible est par exemple montée compressée dans les gorges 131, 132, ce qui permet, par retour élastique de la lame, d'exercer un effort radial apte à améliorer l'étanchéité des contacts pistons/enceinte. Une telle lame flexible 15 permet également d'améliorer l'étanchéité entre chaque chambre intrados 102 de la machine 100. Dans cette variante de réalisation, les lames flexibles 15 assurent donc la fonction de pivotement, de transmission du couple et d'étanchéité de la liaison.
  • La surface extrados 117 des pistons délimite avec la paroi interne de l'enceinte 2 et les flasques 5a, 5b trois chambres extérieures 101, dites chambres extrados, formant des cavités à volume variable dont le volume varie entre un volume maximal et un volume minimal lors du mouvement relatif du rotor 30 par rapport au stator 2 ; ce volume minimal pouvant être à la limite nul suivant les paramètres mathématiques de l'ovoïde de l'enceinte 2 et ceux de la surface extrados 117.
  • La machine rotative 100 comporte également trois chambres 102, dites chambres intrados, chaque chambre intrados 102 étant intercalée entre deux chambres extrados 101. Les chambres intrados 102 sont délimitées par les faces intrados 118 de deux pistons 1 consécutifs, par les faces latérales 115 et par les faces des cylindres de révolution 105 des pistons 1 formant une surface de jonction entre la surface extrados 117 et la surface intrados 118 des pistons 1, par la paroi intérieure de l'enceinte 2, par le vilebrequin 3 et par les flasques 5a, 5b. Les chambres intrados 102 forment également des cavités à volume variable dont le volume varie entre un volume maximal et un volume minimal lors du mouvement relatif du rotor 30 par rapport l'enceinte 2, cette variation de volume étant avantageusement due au mouvement alternatif de basculement des pistons 1 par rapport au vilebrequin 3 autour de la liaison pivot 106 de sorte que les surfaces complémentaires du vilebrequin 3 et du piston 1 (formées par la surface intrados 118, les cylindres de révolution 105, et les faces latérales 115) s'éloignent et se rapprochent alternativement les unes des autres.
  • Selon le mode de réalisation illustré aux figures 1 et 2, le vilebrequin 3 présente une section circulaire. Toutefois, selon d'autres variantes de réalisation, le vilebrequin peut également présenter une section triangulaire comme illustrée aux figures 7 et 8, une section triangulaire curviligne comme illustrée aux figures 5 et 6, ou encore une section hexagonale comme illustrée aux figures 9 et 10. Quelle que soit la section du vilebrequin, les pistons associés présentent évidemment un profil intrados complémentaire de la surface extérieure du vilebrequin. Il est entendu que les variantes de réalisation de la liaison pivot 106 entre les pistons 1 et le vilebrequin 3 décrites précédemment sont applicables quel que soit le profil du vilebrequin 3.
  • Selon une autre variante de réalisation de l'invention, les pistons 1 peuvent comporter des jupes 17 fixées sur leurs flancs latéraux, une telle variante est illustrée à la figure 15. Les jupes 17 sont par exemple des éléments rapportés sur les pistons 1 dont le profil adopte celui de la face extrados 117 du piston 1 pour la partie supérieure et un profil circulaire ou autre pour la partie inférieure. Le profil de la partie inférieure et l'épaisseur des jupes 17 sont définis en fonction de l'application et du profil du piston 1 de manière à ne pas interférer avec l'arbre de transmission 4. Les jupes 17 flanquées sur les pistons 1 ont pour avantage de rigidifier le piston notamment lorsque les cylindres de révolution 105 formant les zones de glissement 104 de la surface extrados 117 présentent un faible rayon, ou lorsque l'épaisseur radiale du piston 1 est faible par rapport aux pressions exercées par le fluide dans les chambres 101, 102. Les jupes 17 permettent également de réaliser un réglage des admissions et des refoulements axiaux des fluides opérés au travers des ouvertures 111 dans les flasques 5a, 5b.
  • La circulation des fluides dans l'enceinte 2, et plus précisément dans les cavités formées par les chambres intrados 102 et extrados 101, se fait par une ou plusieurs ouvertures axiales 111 pratiquées dans une ou dans les deux flasques latérales 5a, 5b et/ou par une ou plusieurs ouvertures radiales (non représentées) pratiquées dans l'enceinte 2 ou dans le vilebrequin 3. Avantageusement, les ouvertures axiales 111 peuvent communiquer uniquement avec les chambres intrados 102, de même pour les ouvertures radiales pratiquées dans le vilebrequin 3. La machine rotative 100 ne nécessite pas l'utilisation de clapet ou encore de soupape pour les admissions et les refoulements, les pistons 1, munis ou non de jupes 17, et/ou le vilebrequin 3 obstruant et découvrant alternativement les ouvertures axiales 111 et radiales lors de leur rotation. La forme, la section, le nombre, ainsi que les emplacements des ouvertures permettant l'entrée et la sortie de fluides étant définis en fonction des caractéristiques de fonctionnement de la machine rotative 100. Les ouvertures sont donc paramétrées en fonction de l'application, du fluide et des caractéristiques recherchées.
  • Comme vu précédemment, la machine rotative à trois pistons 100 présente six cavités à volume variable formées par les trois chambres intrados 102 et les trois chambres extrados 101. Chaque chambre intrados 102 est diamétralement opposée à une chambre extrados 101 et leurs variations de volumes (augmentation ou diminution) sont synchrones.
  • L'agencement particulier des pistons 1 et du vilebrequin 3 présenté précédemment ainsi que les dimensions des pistons 1 et du vilebrequin 3 définis avantageusement permettent de réaliser une machine rotative à trois pistons 100 présentant des chambres intrados 102 et des chambres extrados avec des cylindrées et/ou des taux de compression égaux à ± 20%, ou supérieurs aux cylindrées et/ou taux de compression des chambres extrados 101. La réalisation de six cavités à volume variable présentant la même ou sensiblement la même cylindrée permet de réaliser des machines opérant des fonctions primaires principales dans chacune de ces six chambres, avec un ratio puissance/encombrement et un ratio puissance/masse très intéressants pour diverses applications industrielles que les machines classiques à trois pistons ou à quatre pistons chaînés ne peuvent reproduire. Pour certaines applications, il peut également être intéressant de réaliser dans les chambres intrados des cylindrées ou des taux de compression supérieurs aux cylindrées et/ou aux taux de compression des chambres extrados. Avantageusement, la cylindrée de la chambre intrados 102 peut être jusqu'à 50% supérieure à la cylindrée de la chambre extrados 101.
  • Ainsi, une telle machine peut avantageusement être utilisée en mode moteur thermique à combustion interne, moteur hydraulique, moteur pneumatique, moteur à vapeur(s), pompe, pompe à vide ou encore en mode compresseur, chacune des cavités à volume variable correspondant donc à un état particulier en fonction d'un mode d'utilisation de la machine.
  • Une même machine volumique à 3 pistons selon l'invention peut combiner plusieurs modes d'utilisations différents au sein de ses six chambres intrados et extrados, simultanément ou successivement, et avantageusement jusqu'à 4 modes d'utilisation différents, telles que par exemple : un mode d'utilisation en compresseur dans les chambres extrados 101 et un mode d'utilisation en moteur de détente dans les chambres intrados 102, ou encore un mode d'utilisation en pompe hydraulique dans les chambres intrados opérant dans le coté droit de la machine et un mode d'utilisation de moteur hydraulique dans les chambres intrados 102 opérant dans le coté gauche de la machine.
  • Les figures 18 à 29 illustrent différentes positions de la machine rotative à différents angles de rotation des pistons A, B et C et du vilebrequin avec un pas de 30° entre chaque figure. Ainsi la figure 18 illustre la position des pistons A, B, C dans une position dite de référence, c'est-à-dire à l'angle 0°, la figure 19 illustre la position des pistons A, B, C avec une rotation de 30° dans le sens horaire par rapport à la position des pistons de la figure 18, la figure 20 illustre la position des pistons A, B, C avec une rotation de 60° par rapport à la position des pistons A, B, C de la figure 18 et ainsi de suite jusqu'à la figure 29 qui représente la position des pistons A, B, C avec une rotation de 330° par rapport à la position des pistons A, B, C illustrée à la figure 18. L'ensemble des figures 18 à 29 illustre par conséquent douze positions des pistons A, B, C pour un tour de vilebrequin.
  • La figure 30 représente sous la forme d'un tableau, les différentes fonctions principales réalisées par les différentes cavités à volume variable de la machine en fonction de leur position dans l'enceinte lors d'un tour de vilebrequin lorsque la machine est utilisée en mode moteur thermique à combustion interne.
  • La figure 31 illustre également sous la forme d'un tableau, les différentes fonctions principales réalisées par les différentes cavités à volume variable de la machine en fonction de leur position dans l'enceinte lors d'un tour de vilebrequin lorsque la machine est utilisée en mode moteur pneumatique ou moteur à vapeurs ou moteur hydraulique.
  • La figure 45 illustre le couple moteur brut associé aux différentes fonctions principales des différentes cavités illustrées à la figure 31, lorsque celle-ci est utilisée en mode moteur pneumatique, ou moteur à vapeur ou moteur hydraulique, sous une pression de 10 bars du fluide de travail à l'admission. On entend par couple moteur brut théorique la somme des couples produits sur l'arbre par les forces pressantes sur les pistons, hors pertes mécaniques et hydrauliques. La figure 45 illustre ainsi:
    • l'évolution du couple moteur brut produit par une chambre extrados seule sur un quart de tour du vilebrequin (90°) ;
    • l'évolution du couple moteur brut produit par une chambre intrados seule sur un quart de tour du vilebrequin (90°) ;
    • l'évolution du couple moteur brut produit par une cavité externe et par la cavité interne diamétralement opposée sur un quart de tour du vilebrequin (90°), et ce suivant la convention de nommage des chambres utilisée aux figures 18 à 31 ;
    • l'évolution du couple moteur brut produit par l'ensemble des chambres de la machine sur un tour de vilebrequin.
  • La machine rotative à trois pistons 100 selon l'invention a pour avantage de ne présenter aucun point mort, c'est-à-dire que chaque temps moteur générateur de mouvement occupe un quart de tour (i.e. 90°) de la machine, chaque position du rotor comporte au moins un temps moteur comme illustré sur les figures 30 et 31. Il est à remarquer que (figure 31), pour le fonctionnement en mode moteur pneumatique ou moteur vapeur ou moteur hydraulique, le temps moteur d'une chambre intrados 102 est synchrone avec le temps moteur de la chambre extrados 101 opposée par rapport à l'axe de rotation de la machine.
  • Tel que décrit précédemment, les chambres intrados 102 peuvent présenter un volume mort qui est défini par le volume entre deux pistons 1, l'enceinte 2 et le vilebrequin 3 lorsque les pistons 1 sont au plus proche, symétriques par rapport à un plan radial passant par l'axe de rotation de la machine. En d'autres termes, le volume mort correspond au volume géométrique de la cavité lorsque celle-ci est à son volume minimum en fin d'échappement, ce volume géométrique peut donc contenir un volume résiduel du fluide de travail. Grâce à la géométrie spécifique des pistons 1 et du vilebrequin 3, le volume mort des chambres intrados 102 est soit important jusqu'à 100% de la cylindrée de la chambre intrados 102, soit très faible et inférieur à 5%. Dans certaines applications particulières, il peut être nécessaire de minimiser davantage ce volume mort de manière à optimiser le rendement et l'efficacité de la machine rotative. Dans de telle situation, le volume mort peut être davantage minimisé en modifiant la géométrie des faces latérales 115 des pistons 1 et/ou en minimisant le diamètre des cylindres de révolution 105 formant les zones de glissement 104. Un exemple de minimisation du volume mort est illustré aux figures 32 et 33 par la modification de la géométrie des pistons, la figure 32 illustrant le volume mort résiduel d'une chambre intrados 102 sans optimisation et la figure 33 illustrant le volume mort résiduel pour la même chambre intrados 102 avec optimisation. Une telle optimisation permet de passer d'un volume mort de 4% de la cylindrée de la chambre intrados 102 à un volume mort inférieur à 0,5% de la cylindrée, et avantageusement un volume mort théorique égal à 0, et de multiplier par exemple un taux de compression théorique par 4, soit jusqu'à une valeur de 150 et ce sans pour autant changer significativement la cylindrée des cavités intrados 102, cette cylindrée après optimisation du volume mort ayant varié seulement de 0,2%, et selon les profils de section du vilebrequin 3 cette cylindrée de la chambre intrados 102 peut être exactement identique avant et après optimisation de la réduction du volume mort de ladite chambre intrados 102. Il est à noter que la réduction de ce volume mort de la chambre intrados 102 met en oeuvre des fonctions mathématiques impliquant les paramètres géométriques de la machine 100 selon l'invention, concernant notamment les faces latérales 115 et les surfaces de jonction entre ces faces latérales 115 et, d'un coté la face intrados 118, de l'autre coté la face extrados 117.
  • De cette manière, il est possible de modifier la géométrie des pistons 1 et/ou du vilebrequin 3 pour obtenir des taux de compression théorique et/ou une cylindrée exactement identiques, avec une précision de 1/1000, entre les chambres extrados 101 et intrados 102.
  • Ainsi, la machine rotative selon l'invention permet de réaliser par exemple un moteur pneumatique ou un moteur à vapeur présentant une puissance égale ou supérieure à 3000 Watts à 1000 tours par minute sous une pression de 10 bars relatifs avec un encombrement réduit (incluant une préchambre de sur-chauffe située à l'extérieur de enceinte 2) : 14,5 cm de long, 11,2 cm de large et 10 cm de haut pour une cylindrée totale de 360 centimètres-cubes (cm3), et donc un volume géométrique admis de 720 centimètres-cubes par tour de vilebrequin. Le couple moteur brut théorique (i.e. hors pertes mécaniques et hydrauliques) de ce moteur à vapeur selon l'invention (illustré à la figure 45) varie entre 61 et 85 Newtons.mètre (N.m), et son couple brut moyen sur un tour est de 78 N.m. En comparaison, une machine à vapeur alternative à double effet de cylindrée totale identique à celle de la machine 3 pistons selon l'invention possède un couple brut théorique moyen de 57 N.m, soit 27% inférieur, pour un encombrement et une masse très supérieurs. A titre de comparaison, la figure 46 illustre le couple moteur brut théorique, sur un tour de vilebrequin, ainsi que le couple moyen de différentes machines rotatives connues de l'état de la technique (machine MRLD à quatre pistons, machine rotative alternative à double effet). Ainsi, à titre comparatif, une machine rotative de type MRLD à 4 chambres extrados, de mêmes dimensions, de même encombrement extérieur et de même profil intérieur ovoïde de l'enceinte, possède un couple théorique moyen de 69,5 N.m, soit 10,9% inférieur à celui de la machine selon l'invention.
  • Selon une seconde application industrielle, la machine rotative selon l'invention peut être utilisée pour réaliser une micro-pompe, et avantageusement une micro-pompe doseuse lorsque les chambres intrados et les chambres extrados présentent une cylindrée identique. Une telle micro-pompe doseuse peut présenter une cylindrée totale de 0,907 cm3 par tour (ou 907 microlitres par tour) pour un volume d'encombrement de 6,3 cm3. Dans une application de micro-pompe sans dosage, la cylindrée totale peut avantageusement être augmentée à plus de 1,1 cm3 par tour, avec dans ce cas une cylindrée de la chambre intrados 41% supérieure à la cylindrée de la chambre extrados, et ce pour le même encombrement réduit : un diamètre extérieur de 20 mm pour une longueur axiale de 20 mm.
  • Dans cette application, le volume mort théorique de la chambre extrados est nul, et celui de la chambre intrados est inférieur à 0,35% de la cylindrée de la chambre intrados, soit un taux de compression théorique de la chambre intrados de 290.
  • Une telle micro-pompe, réalisée dans un acier approprié, possède une masse d'environ 50 grammes, et permet une différence de pression supérieure à 20 bars pour la variante de plus grande cylindrée, supérieure à 100 bars pour la variante micro-pompe doseuse. Une telle micro-pompe peut fonctionner à des vitesses de rotation supérieures à 1000 tours par minute, et développe une puissance hydraulique de compression de l'ordre de 36 Watt à 1000 tours par minute pour un différentiel de pression de 20 bars.
  • Selon une troisième application industrielle, la machine selon l'invention peut être en moteur roue dans lequel le vilebrequin 3 est fixe en rotation et l'enceinte 2, constituant la roue, tourne. L'alimentation et le refoulement des fluides dans ce moteur roue est simple puisque axiale par l'arbre 4 et le vilebrequin 3 qui dans ce cas sont fixes en rotation, puis par le(s) cylindre(s) et cuvette(s) de basculement via des canaux spécialement aménagés pour accéder aux chambres extrados.
  • La machine rotative à trois pistons selon l'invention présente avantageusement des pistons, un vilebrequin et une enceinte massifs. Cette caractéristique particulière permet aux pistons, au vilebrequin et à l'enceinte de pouvoir comporter des moyens aptes à apporter des fonctions additionnelles secondaires aux fonctions dites primaires principales correspondant aux états de fonctionnement de la machine dans ses différents modes d'utilisation possibles : moteur thermique à combustion interne, moteur hydraulique, moteur pneumatique, moteur à vapeur(s), pompe, compresseur, pompe à vide ou encore une combinaison de ses modes. Ces fonctions additionnelles secondaires, peuvent toutefois améliorer sensiblement l'efficacité de la machine selon l'invention.
  • Selon un premier exemple de réalisation de fonction additionnelle secondaire, ces moyens peuvent être un système réalisant une fonction d'antiblocage hydraulique afin d'éviter le calage du mécanisme du fait de la propriété de non compressibilité des liquides, lors d'une application hydraulique de la machine selon l'invention. Ce premier exemple de réalisation est illustré aux figures 34 à 36. A cet effet, les pistons 1, et/ou le vilebrequin 3, et/ou l'enceinte 2 présentent des volumes escamotables 24 qui permettent d'augmenter le volume, et par conséquent la cylindrée des chambres intrados 102 et/ou extrados 101. Ces volumes escamotables sont formés par des cavités 20 axiales ou radiales dans lesquelles coulissent un ou des pistons 18 poussés par des ressorts 19, ou par tout autre composant apte à exercer une force de poussée, qui sont dimensionnés en fonction du comportement souhaité. Un exemple de réalisation de ce système d'antiblocage est illustré sur le vilebrequin 3 aux figures 35 et 36. Bien entendu ce système est également transférable sur les pistons 1, coté intrados 118 et/ou côté extrados 117, et sur l'enceinte 2.
  • Lorsque la pression dans la chambre 101,102 exerce un effort supérieur à la raideur du ressort 19, alors le piston 18 est poussé vers le fond de la cavité 20, ce qui permet d'augmenter le volume maximal de la chambre. Lorsque la pression diminue en dessous de la valeur seuil du ressort 19, le piston 18 remonte, ce qui permet d'avoir des volumes morts proches de zéro.
  • L'utilisation d'un tel système, suivant ce premier exemple de réalisation ou son alternative décrite ci-après, permet d'augmenter le volume des chambres extrados jusqu'à 200% lorsqu'il est aménagé dans les pistons 1, et d'augmenter le volume des chambres intrados jusqu'à 70% lorsque ledit système est aménagé dans le vilebrequin 3 par rapport à leurs cylindrées initiales respectives dans une machine rotative à trois pistons selon l'invention ne comportant pas un tel système. Outre, l'augmentation du volume des chambres intrados et/ou extrados, ce système permet également :
    • d'assurer un antiblocage de l'ensemble mobile 30 en fin d'échappement dans le cas d'un liquide résiduel dans une chambre lorsque la cavité est au point mort haut ; grâce à ce système le résidu est libéré après le point mort haut dans la chambre alors que celle-ci est passée au cycle suivant ;
    • de retarder le début de l'échappement en fin d'admission, par le positionnement des ouvertures d'échappement, le système permettant une rétention du liquide et la réalisation d'une surpression à l'échappement.
  • Dans une alternative à ce premier exemple de réalisation de fonction additionnelle connexe apportée par ce(s) volume(s) escamotable(s) 24, les pistons 18 sont remplacés par une membrane souple et étanche 25 ; cette alternative est illustrée sur la figure 41, dans le cas d'une cavité 20 logée dans le vilebrequin 3, montrant une vue éclatée du montage avec la membrane 25 au repos. Sous l'effet d'une surpression dans la chambre intrados 102, cette membrane 25 se déforme vers l'intérieur de la cavité fermée 20 assurant ainsi l'une des deux fonctions expliquées ci-avant : antiblocage hydraulique en fin d'échappement et/ou rétentrice du liquide de travail en fin d'admission. La figure 43 est une vue en coupe, selon le plan de coupe A-A défini à la figure 42, de la déformation de la membrane souple et étanche 25 lorsque la pression P1 dans la chambre intrados 102 est supérieure à la pression P2 présente dans la cavité fermée 20. La plaque qui maintient la membrane 25 en place et serrée contre le vilebrequin 3 peut être avantageusement une grille, visible sur la figure 44, de sorte que la membrane 25 ne se déforme pas à l'intérieur de la chambre 102 lorsque la pression P1 est inférieure à la pression P2, cas par exemple où la chambre 102 est à l'admission et donc subit une possible dépression. L'un des avantages majeur de cette variante de conception des cavités 20 grâce à une membrane 25 est son étanchéité totale. En effet, lorsque la machine opère par exemple dans un environnement extérieur sous vide et/ou dont le circuit du fluide de travail principal est sous vide, et/ou lorsque le fluide de travail en transit dans les chambres intrados et/ou extrados est incompressible, ces volumes escamotables 24 étanches restent pleinement opérationnels dans leur fonction. Le fluide présent dans la cavité fermée 20 peut être un gaz ou un liquide suivant la fonction assignée à ce volume escamotable, identique ou différent du fluide de travail dans les chambres intrados et/ou extrados ; sa pression peut être régulée par un dispositif complémentaire interne ou externe à la machine 100. Bien entendu ce système, détaillé ici pour le cas de volumes escamotable 24 dans le vilebrequin 3, est également adaptable sur les pistons 1, coté intrados 118 et/ou côté extrados 117, et sur l'enceinte 2.
  • Selon un deuxième exemple de réalisation de fonction additionnelle secondaire, les moyens aptes à apporter une fonction additionnelle à la machine peuvent être des composants électromécaniques ou magnétiques adaptés pour permettre la transmission du couple entre l'ensemble rotatif 30 et un arbre tournant extérieur à la machine (ou inversement) de sorte que les chambres de la machine peuvent être totalement étanchées par rapport à l'environnement extérieur de la machine. Lesdits composants électromécaniques ou magnétiques sont avantageusement logés dans le vilebrequin 3 ou dans les pistons 1 et coopèrent, à travers une paroi étanche et amagnétique, avec d'autres composants électromécaniques ou magnétiques logés soit dans les parois latérales 5a,5b de la machine, soit à l'extérieur de celles-ci, soit dans l'arbre de rotation 4 de la machine traversant le vilebrequin 3 par son centre et non solidaire de celui-ci.
  • Selon un troisième exemple de réalisation, les moyens aptes à apporter une fonction additionnelle secondaire à la machine peuvent permettre d'améliorer la trajectoire des flux d'entrée (flux d'admission) et des flux de sortie (flux d'échappement) ainsi que de réguler les flux dans les chambres intrados 102. Pour cela, les moyens sont formés par des encoches axiales cylindriques ou coniques dans le vilebrequin 3. La figure 16 illustre à cet effet un exemple de réalisation d'un vilebrequin 3 présentant des encoches axiales coniques 114 ; la base du cône de l'encoche 114 étant orientée vers les ouvertures axiales 111 des flasques 5a, 5b.
  • Selon un quatrième exemple de réalisation, les moyens aptes à apporter une fonction additionnelle secondaire à la machine peuvent permettre d'améliorer la trajectoire des flux d'entrée (flux d'admission) et des flux de sortie (flux d'échappement) ainsi que de réguler les flux dans les chambres extrados 101. Pour cela, les moyens sont formés par des encoches dans les flancs des pistons 1. La figure 17 illustre à cet effet un exemple de réalisation de l'intérieur d'une machine rotative 100 selon l'invention présentant des pistons 1 avec des encoches 121 sur les flancs 116 formant un passage entre les flancs 116 et l'extrados 117. Les encoches 121 peuvent également être remplacées par un canal aménagé dans chaque piston reliant l'extrados 117 à l'un ou les deux flancs 116 du piston 1, faisant ainsi communiquer au passage les fenêtres axiales 111 des flasques 5a, 5b avec les chambres extrados 101.
  • En outre, la machine rotative 100 selon l'invention présente également des moyens permettant de réaliser l'étanchéité des chambres intrados (102) et extrados (101). A cet effet, la machine rotative 100 présente :
    • un moyen d'étanchéité dynamique entre les pistons 1 et le vilebrequin 3, et plus particulièrement entre le cylindre de basculement 107 et la cuvette de basculement 117 ;
    • un moyen d'étanchéité dynamique au niveau de la surface extrados 117 des pistons et avantageusement au niveau des zones de glissement 104 ;
    • des moyens d'étanchéité dynamique entre les flasques 5a, 5b et les pièces de l'ensemble rotatif 30, à savoir les pistons 1 et le vilebrequin 3.
  • Ces moyens d'étanchéité peuvent être des moyens d'étanchéité classiques utilisés couramment dans les machines rotatives à trois pistons ou dans les machines rotatives à losange déformable.
  • La figure 37 illustre un piston comportant au niveau de sa surface extrados 117 une première variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité. Selon cette première variante de réalisation, l'étanchéité est réalisée par un joint cylindrique 13 positionné dans une gorge cylindrique ménagée dans le piston 1. La gorge cylindrique réalisée dans le piston 1 correspond sensiblement aux dimensions des cylindres de révolution 105 décrits précédemment formant la zone de glissement 104 du piston 1. Le joint cylindrique 13 est en liaison pivot avec le piston 1 de manière à autoriser sa rotation dans la gorge cylindrique ; l'utilisation de combinaisons de matières et/ou traitements de surfaces à propriétés tribologiques appropriées permet d'une part de réduire les pertes en frottement de ladite liaison pivot du joint cylindrique 13 dans le piston 1, et d'autre part d'assurer l'adhérence du joint cylindrique 13 contre la surface ovoïde de l'enceinte 2. Une amélioration de cette première variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité (non représentée) consiste au montage de l'axe du joint cylindrique 13 sur des composants de roulement de dimensions adaptées, tels que des roulements à billes, à aiguilles ou des paliers lisses, lesdits composants de roulement de support de l'axe du joint 13 étant logés dans le piston 1 de telle sorte qu'ils puissent avoir un débattement radial contrôlé permettant ainsi un rattrapage du jeu d'usure entre le joint cylindrique 13 et l'enceinte 2. Ainsi, le joint cylindrique 13 roule sur la surface ovoïde de l'enceinte 2 limitant son usure et les pertes mécaniques. Il faut noter que le diamètre du joint cylindrique 13 est soigneusement calculé à partir des paramètres mathématiques de la machine 100 de sorte qu'il soit entièrement contenu dans l'extrémité du piston 1 et que l'épaisseur de matière entre son logement et la face latérale 115 soit suffisante pour garantir la résistance mécanique nécessaire. Une telle variante de réalisation de l'étanchéité par contact roulant permet, par rapport aux moyens d'étanchéité de l'état de la technique, d'une part de minimiser significativement les pertes mécaniques en frottement entre le joint et l'enceinte et par conséquent d'améliorer l'efficacité de la machine, et d'autre part de rattraper le jeu d'usure du joint et par conséquent d'accroître la durée de vie de cette pièce d'étanchéité.
  • Les figures 38 et 39 illustrent l'extrémité d'un piston comportant une deuxième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité. Selon cette deuxième variante de réalisation, l'étanchéité est réalisée par un joint basculant 14 dont la pression de contact contre l'enceinte (non représentée) est assurée par la pression du fluide de travail dans les chambres intrados et extrados. Le profil du joint basculant 14 se décompose en quatre parties :
    • une première partie 14a reprenant le profil du cylindre de révolution 105 de la zone de glissement 104 ;
    • une seconde partie 14b circulaire de centre non confondu avec le centre du cylindre de révolution 105 et qui assure une liaison pivot avec le piston 1 ;
    • une troisième partie 14c qui forme les surfaces de pression sur lesquelles le fluide des chambres intrados ou extrados vient exercer une pression ; le centre du pivotement du joint 14 étant distinct de l'axe du cylindre de glissement 105, le joint 14 exerce par pivotement une pression de contact sur la surface intérieure ovoïde de l'enceinte 2 aux lignes de contact.
    • une quatrième partie 14d est un décrochement dans lequel vient se loger un élément ressort 12 empêchant au joint basculant 14 de sortir de son logement et maintenant une pression minimale de contact du joint 14 contre la surface intérieure ovoïde de l'enceinte 2.
  • Les figures 38 et 39 illustrent par conséquent deux états du joint basculant 14 d'un piston 1 à deux positions différentes dans la machine rotative. Une telle variante de réalisation permet également de minimiser les frottements entre le joint et l'enceinte 2 et par conséquent d'améliorer l'efficacité de la machine. Cette deuxième variante de réalisation permet également de :
    • créer une pression de contact entre cette pièce d'étanchéité du piston 1 et l'enceinte 2 juste suffisante pour réaliser l'étanchéité, ce qui permet de limiter les pertes en frottement et l'usure des pièces ;
    • rattraper les jeux d'usure.
  • La figure 40 illustre un piston comportant au niveau de sa surface extrados 117 une alternative de la deuxième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité décrit précédemment. Dans cette troisième variante, l'étanchéité est réalisée par un segment 11 poussé contre la surface intérieure ovoïde de l'enceinte 2 par la pression du fluide des chambres intrados et/ou extrados. Le segment 11 est formé par une barre de section rectangulaire dont un des côtés présente une forme arrondie et de rayon équivalent au rayon du cylindre de révolution 105 de la zone de glissement 104. Cette face arrondie permet le déplacement du piston 1 le long de l'enceinte 2. Le segment 11 est logé dans une gorge axiale du piston 1 et est poussé par pression hydraulique ou pneumatique radialement vers l'enceinte 2. Des canaux 108 et 109 sont aménagés dans le piston 1 de manière à relier la gorge axiale respectivement à la chambre intrados 102 et à la chambre extrados 101 de la machine et de manière à permettre l'arrivée de fluide sous le segment 11 afin d'exercer une pression radiale sur le segment 11 qui exerce à son tour une pression sur la surface intérieure ovoïde de l'enceinte 2 pour réaliser l'étanchéité. Cette troisième variante de réalisation peut comporter de plus un système de clapets constitués, par exemple, par des billes d'obturation des canaux 108 et 109 enfermant le fluide sous pression dans la chambre de poussée du segment 11 au niveau de la gorge axiale. Un tel système permet d'assurer une pression de contact du segment 11 sur la surface intérieure de l'enceinte 2 juste suffisante pour assurer l'étanchéité, il permet également un rattrapage du jeu d'usure.
  • Les figures 47 et 48 illustrent une quatrième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité dynamique axiale entre les deux flasques 5a et 5b et les pièces de l'ensemble rotatif 30, à savoir les pistons 1 et le vilebrequin 3. La figure 47 est une vue éclatée en perspective de la machine 100 pour laquelle les ouvertures 111 pour la circulation de fluide de travail, illustrées à la figure 2, sont réparties en fenêtres d'admission 112 pratiquées dans le premier flasque 5a, et en fenêtres de refoulement 113 pratiquées dans le second flasque 5b.
  • Dans cette variante de réalisation, le flasque 5b est solidaire du stator 2 (représenté uniquement sur la figure 48). Un troisième flasque 119, également solidaire du stator 2, se positionne devant le flasque d'admission 5a, coté opposé aux chambres, de sorte qu'une préchambre d'admission 125 est créée entre les deux flasques 119 et 5a. Le flasque 5a est coulissant à l'intérieur du stator 2 suivant le sens axial de la machine, et comporte sur sa périphérie une première gorge destinée à recevoir un joint périphérique 123, et une seconde gorge, pratiquée à l'intérieur du passage cylindrique de l'arbre 4, destinée à recevoir un joint d'arbre 127. Les joints 123,127 assurent l'étanchéité entre les chambres, extrados 101 et intrados 102, et la pré-chambre d'admission 125.
  • Lorsque la machine 100 est utilisée en mode moteur hydraulique ou moteur pneumatique ou encore moteur à vapeur, les chambres extrados 101 et intrados 102 opèrent une détente du fluide de travail. En conséquence, la pression, dite P1, correspondant à la pression du fluide de travail en amont des fenêtres d'admission 112 est supérieure ou égale à la pression, dite P2, de ce même fluide de travail dans les chambres intrados 102 et extrados 101 de la machine, en phase de détente puis de refoulement.
  • Ainsi, la préchambre d'admission 125 reste continuellement sous pression maximale P1, c'est-à-dire celle du fluide de travail à l'admission dans la machine via le collecteur général d'admission 129. Cette pression constante dans la préchambre 125 assure une poussée du flasque d'admission 5a contre le rotor 30, et une poussée du rotor 30 contre le flasque de refoulement 5b, parfaisant ainsi l'étanchéité dynamique par contacts plan-plan sans jeu et le rattrapage du jeu d'usure entre les pistons 1 et le vilebrequin 3 d'une part et les flaques 5a,5b d'autre part.
  • Le flasque d'admission 5a comporte également des orifices 124, permettant au fluide de travail présent dans la préchambre 125, sous pression maximale P1, d'accéder au fond des deux gorges du flasque 5a, i.e. au fond de la gorge périphérique et la gorge d'arbre, afin d'excercer une poussée du joint périphérique 123 contre la surface intérieure ovoïde du stator 2 et une poussée du joint d'arbre 127 contre l'arbre 4.
  • Afin de réduire les frottements et l'usure des flasques 5a et 5b à la fois contre les pistons 1 et le vilebrequin 3, ce moyen d'étanchéité, décrit dans cette variante de réalisation, peut être également complété par un actionneur de contre poussée 126, logé de préférence dans le vilebrequin 3. Comme représenté sur les figures 47 et 48, cet actionneur de contre-poussée 126 peut être matérialisé par deux ressorts correctement dimensionnés en fonction des surfaces d'application des pressions P1 et P2 de chaque côté du flasque 5a ainsi que des caractéristiques du cycle de détente dans les chambres 101,102, de manière à réduire au maximum les pressions de contact dans l'empilement axial constitué par le flasque 5a, les pistons 1, le vilebrequin 3 et le flasque 5b.
  • Avantageusement, la force de contre-poussée de cet actionneur 126 pourra être variable en fonction de l'angle de rotation et du temps de manière à ce que la force résultante de la force de contre-poussée de l'actionneur 126 additionnée à la force de poussée contre le flasque 5a du fluide de travail sous pression P2 dans les chambres extrados 101 et intrados 102, soit continuellement équivalente (et de sens opposé) à la force de poussée contre le flasque 5a du fluide de travail sous pression P1 dans la préchambre 125. Ainsi, les pressions de contact qui s'exercent entre les surfaces planes des flasques 5a ,5b et des pièces du rotor 30 sont très faibles voire nulles.
  • Enfin, ce moyen d'étanchéité dynamique peut être parachevé par de fines rainures, pratiquées soit sur les faces des flasques 5a, 5b situées côté chambres 101, 102 soit sur les flancs latéraux des pistons 1 et du vilebrequin 3. Ces fines rainures jouent ainsi le rôle de joints labyrinthes 156 (non visibles sur les figures 47 et 48). Cette amélioration de l'étanchéité dynamique peut également être obtenue par texturation des mêmes faces antagosnistes de ces mêmes pièces, sous forme de micro-alvéoles dans lesquelles se crée un effet vortex à l'origine d'une portance aérodynamique entre les 2 faces antagonistes en mouvement relatif.
  • Cette quatrième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité dynamique est applicable suivant les mêmes principes lorsque la machine 100 est utilisée en compresseur, ou pompe hydraulique, ou encore pompe à vide. En vertu du fait que la pression P2 du fluide de travail dans les chambres 101,102 est inférieure ou égale à la pression P3 en aval des fenêtres de refoulement 113, alors le troisième flasque 119 est placé après le flasque 5b comportant les fenêtres de refoulement 113, coté opposé auxdites chambres intrados et extrados, formant avec ce dernier une post-chambre de refoulement. Dans ce cas, le flasque d'admission 5a est solidaire du stator 2 et le flasque 5b est coulissant axialement dans le stator 2.
  • Cette quatrième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité dynamique est applicable suivant les mêmes principes lorsque la machine 100 comporte des ouvertures de circulation du fluide de travail radiales, c'est-à-dire pratiquées radialement dans l'enceinte 2 et/ou dans le vilebrequin 3, pour accéder aux chambres intrados 102 et/ou extrados 101. Alors, les 3 flasques 5a, 5b et 119 sont aveugles et la préchambre 125, ou la postchambre, est remplie du fluide de travail sous pression en amont, respectivement en aval, desdites ouvertures radiales.
  • Les figures 49 à 51 illustrent une cinquième variante de réalisation d'un moyen d'étanchéité dynamique de la machine rotative. Dans cette cinquième variante, le moyen d'étanchéité permet de réaliser une étanchéité axiale et radiale. L'étanchéité axiale est réalisée entre les deux flasques 5a et 5b et les pièces de l'ensemble rotatif 30, à savoir les pistons 1 et le vilebrequin 3, et l'étanchéité radiale est réalisée entre le piston 1 et le stator 2 via le contact d'un joint cylindrique 13 en roulement contre la surface intérieure ovoïde du stator 2 lors de la rotation de l'ensemble rotatif 30.
  • Le principe général de cette cinquième variante repose sur la mise en oeuvre de paliers aérostatiques, grâce à l'utilisation d'un fluide de service sous pression injecté dans les flasques 5a, 5b et à l'intérieur des pièces constituant le rotor 30. Ce fluide de service peut être indifféremment un gaz ou un liquide sous pression, dans ce second cas les paliers sont dits hydrostatiques. Idéalement, le fluide de service sous pression utilisé pour alimenter ces paliers aérostatiques est le fluide de travail de la fonction principale de la machine assurée dans les chambres extrados 101 et/ou intrados 102. Dans le cas où la machine 100 est un compresseur ou une pompe, une partie du débit du fluide de travail sous pression est détourné depuis une post-chambre en aval des fenêtres de refoulement 113. Dans le cas où la machine 100 est un moteur pneumatique, à vapeur ou hydraulique, une partie du débit du fluide de travail sous pression est piqué dans une préchambre en amont des fenêtres d'admission 112. Une alternative avantageuse de cette cinquième variante de moyen d'étanchéité dynamique, non illustrée sur les figures, consiste à prélever le fluide de service directement dans les chambres intrados 102 et/ou extrados 101 par piquage du fluide de travail opérant la (ou les) fonction(s) principale(s) de la machine rotative 100. Dans l'exemple illustré sur les figures 49 à 51 où la machine 100 est un compresseur de gaz, approximativement 0,1% du débit de gaz comprimé et refoulé des chambres 101,102 est nécessaire pour servir les 20 paliers aérostatiques placés dans les différentes pièces de la machine tels que décrits ci-dessous.
  • Les figures 50 et 51 sont respectivement des coupes axiale et radiale de la machine rotative 100 présentant un moyen d'étanchéité dynamique selon cette cinquième variante de réalisation. Les figures 50 et 51 illustrent plus particulièrement les différents canaux et gorges véhiculant le fluide de service sous pression depuis une post-chambre (non illustrée) située en aval des fenêtres de refoulement 113 jusqu'aux différents paliers aérostatiques mis en oeuvre dans le rotor 30 et les flasques 5a, 5b.
  • Dans cette variante de réalisation :
    • l'arbre 4 de la machine est porté par deux paliers 103 qui sont des paliers aérostatiques d'arbre 152 de forme cylindrique logés dans chacun des flasques 5a, 5b ;
    • le contact plan des flasques 5a, 5b contre le vilebrequin 3 est porté par deux paliers aérostatiques annulaires 151, également logés dans chacun des flasques 5a, 5b ;
    • la liaison pivot 106 de basculement du piston 1 dans le vilebrequin 3 est un palier aérostatique poche 155, ladite poche de fluide de service sous pression pouvant être pratiquée indifféremment dans le cylindre de basculement 107 ou dans la cuvette de basculement 127. L'étanchéité de cette poche aérostatique 155 peut être complétée par des rainures labyrinthes radiales 156 pratiquées sur le cylindre de basculement 107 du piston 1 ou dans la cuvette de basculement 127 du vilebrequin 3 ;
    • le contact plan de chacun des deux flancs de chaque piston 1 contre les flasques 5a, 5b est porté par deux paliers aérostatiques plans 153 logés dans chacun des deux flancs du piston 1 ;
    • le joint cylindrique 13 est porté par un palier aérostatique semi-cylindrique 154, logé en bout de piston co-axialement au cylindre de révolution 105 décrit précédemment, et sensiblement de même diamètre intérieur que ce dernier. L'angle d'ouverture de ce palier aérostatique semi-cylindrique 154 permet au joint cylindrique 13, en liaison pivot avec son palier aérostatique semi-cylindrique 154, d'être constamment en contact roulant contre la surface intérieur ovoïde du stator 2.
  • Dans la variante présentée aux figures 49 à 51, ces paliers aérostatiques sont constitués soit d'une poche fluide sous pression dans l'une des 2 pièces antagonistes du contact glissant, comme illustrée au niveau de la liaison pivot 106, poche aérostatique dont les dimensions d'ouverture sont calculées en fonction de la pression de portance recherchée entre les surfaces antagonistes, soit par des matériaux poreux micro-alvéolés. Ces matériaux présentent l'avantage de créer un champ de pression très uniforme sur toute leur surface de diffusion du fluide de service sous pression et, dans le cas des contacts listés ci-dessus, la formation d'un mince film dudit fluide de service dans le jeu mécanique existant entre les surfaces antagonistes en mouvement relatif l'une par rapport à l'autre. En conséquence, les deux surfaces antagonistes glissent sur ce film de fluide de service sous pression. Ce film fluide opère un effet de portance des surfaces antagonistes qui ne se touchent plus, et assure donc leur étanchéité dynamique avec un coefficient de frottement extrêmement bas, dépendant de la viscosité du fluide de service utilisé (de l'ordre de 0,00001 lorsque ce fluide de service est de l'air). D'autres solutions mécaniques pour ces paliers aérostatiques, ou hydrostatiques, peuvent être mises en oeuvre en alternatives aux deux exemples de solutions décrits ci-dessus et illustrés dans cette cinquième variante de moyen d'étanchéité dynamique.
  • Les autres avantages majeurs de l'utilisation d'une partie du fluide de travail comme fluide de service pour alimenter les paliers aérostatiques sont d'une part sa disponibilité sur la machine 100 elle-même, ne nécessitant donc pas l'adjonction d'un générateur extérieur, et d'autre part la non pollution du fluide de travail en transit dans les chambres extrados 101 et intrados 102 par un fluide de nature différente tel que par exemple un lubrifiant traditionnel. En d'autres termes, le fluide de travail lui-même est utilisé comme lubrifiant.
  • Le fluide de service sous pression, piqué dans la post-chambre en aval des fenêtres de refoulement 113, traverse le flasque de refoulement 5b via un canal axial 141. Il remplit la gorge circulaire 142 pour permettre une diffusion en continu dans les canaux axiaux 144 du vilebrequin 3 en rotation par rapport au flasque 5b. Le fluide de service se propage également jusqu'au palier aérostatique d'arbre 152 et au palier aérostatique annulaire 151 via les canaux radiaux 143 pratiqués dans le flasque 5b. Depuis les canaux axiaux 144 du vilebrequin 3, le fluide de service sous pression gagne d'une part l'autre flasque 5a pour alimenter les deux autres paliers aérostatiques 151,152, et d'autre part la liaison pivot 106 via les canaux radiaux 145 du vilebrequin 3. Les canaux d'accès du fluide de service sous pression à l'intérieur du vilebrequin 3 peuvent également être pratiqués dans l'arbre de rotation 4 de la machine. Dans la continuité du canal radial 145 du vilebrequin 3, le fluide de service sous pression rempli le palier aérostatique poche 155 formé dans la cuvette de basculement 127 et dont la force de pression s'exerce contre le cylindre de basculement 107, portant celui-ci. La largeur de ce palier aérostatique poche 155 dans le plan radial est calculée de sorte que la continuité de la distribution du fluide de service entre le canal radial 145 du vilebrequin 3 et le canal radial 146 du piston 1 soit assurée quelle que soit la position du piston 1 au cours de la rotation du rotor 30. Enfin, depuis le canal radial 146 dans le piston 1, le fluide de service sous pression est véhiculé jusqu'aux paliers aérostatiques plans 153 et aux paliers aérostatiques semi-cylindriques 154 via les canaux terminaux axiaux 147 et les canaux terminaux radiaux 148.
  • Outre les avantages de réduction substantielle des frottements et d'usure, de non pollution du fluide de travail par un lubrifiant traditionnel, la réduction du nombre de pièces peut également être un avantage de cette cinquième variante de moyen d'étanchéité. En effet, telle que présentée sur les figures 49 à 51, les paliers aérostatiques, référencés 151, 152, 153, 154, 155, sont des pièces rapportées. Or, la majorité de ces paliers aérostatiques peut être regroupée sur le piston 1. Alors, une alternative avantageuse réside dans la fabrication du piston 1 entièrement dans un matériau poreux massif ; cette alternative présente l'avantage de supprimer tous les canaux internes référencés 146, 147, 148 nécessaires à la distribution du fluide de service dans le piston 1, ainsi que tous les paliers aérostatiques rapportés, référencés 153, 154, 155.
  • Le procédé de frittage des poudres peut être particulièrement approprié pour produire de tels pistons 1 poreux massifs, suivi d'une opération de calibrage pour obtenir les précisions dimensionnelle et géométrique recherchées, puis d'un traitement de surface pour étancher les faces du piston 1 non destinées à avoir une fonction de palier aérostatique, c'est-à-dire celles délimitant les chambres extrados 101 et intrados 102.
  • Pour résumer, la machine rotative selon l'invention présente avantageusement six cavités à volume variable présentant des cylindrées équivalentes, ou des cylindrées des chambres intrados supérieures aux cylindrées des chambres extrados. L'équivalence des cylindrées des différentes cavités dans une machine rotative à trois pistons est directement et principalement fonction (mais pas uniquement) des paramètres géométriques interdépendants suivants :
    • le rayon du cylindre de basculement 107 ;
    • le profil intrados 118 des pistons 1 en corrélation et en complémentarité dynamique avec le profil extérieur du vilebrequin 3, ces deux profils étant mathématiquement liés ;
    • la géométrie des faces latérales 115 permettant notamment de modifier le volume mort de la chambre ;
    • la géométrie des surfaces de jonction entre les faces latérales 115 et, d'un coté la face intrados 118, de l'autre coté la face extrados 117 ;
    • l'emploi ou non d'un ou plusieurs volumes escamotables (24) dans le vilebrequin 3, et/ou dans les pistons 1 et/ou dans l'enceinte 2.
  • D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention telle que délimitée dans les revendications.

Claims (14)

  1. Machine volumique rotative (100) comprenant :
    • une enceinte tubulaire (2) de section ovale ;
    • un vilebrequin (3) monté à rotation dans l'enceinte ; et
    • trois pistons (1) dans l'enceinte, chacun articulé en son centre au vilebrequin et configuré pour avoir deux extrémités opposées (104) en contact continu avec l'enceinte lorsque le vilebrequin tourne par rapport à l'enceinte, d'où il résulte que chaque piston est soumis à un basculement alternatif autour de son articulation sur le vilebrequin ;
    caractérisée en ce que chaque piston a deux surfaces intrados s'étendant radialement de chaque côté de l'articulation correspondante sur le vilebrequin, chaque surface intrados ayant un profil complémentaire du profil de la surface extérieure du vilebrequin, de sorte que le piston est apte à venir épouser la forme du vilebrequin suivant un principe de rapprochement et d'éloignement alternatifs au cours du basculement.
  2. Machine volumique rotative selon la revendication 1, dans laquelle chacun des pistons (1) délimite avec l'enceinte (2) une chambre à volume variable dite chambre extrados (101) et deux pistons (1) consécutifs délimitent avec l'enceinte (2) et le vilebrequin (3) une chambre à volume variable dite chambre intrados (102), les pistons (1) et le vilebrequin (3) étant configurés de manière que chaque chambre intrados (102) présente une cylindrée égale ou supérieure à la cylindrée des chambres extrados (101).
  3. Machine volumique rotative (100) selon la revendication 1, dans laquelle l'enceinte (2) comporte un profil en accord avec les règles géométriques imposées dans les machines rotatives à losange déformable.
  4. Machine volumique rotative (100) selon la revendication 1, dans laquelle l'articulation (406) de chaque piston sur le vilebrequin comprend un élément flexible (15) encastré dans des gorges (131, 132) du vilebrequin (3) et du piston (1).
  5. Machine volumique rotative (100) selon la revendication 1, comprenant :
    • deux flasques (5a, 5b) fermant latéralement l'enceinte ; et
    • des paliers aérostatiques ou hydrostatiques (151, 152, 153, 154, 155) configurés pour réaliser une étanchéité dynamique radiale entre les pistons (1) et l'enceinte (2), et une étanchéité dynamique axiale entre les flasques (5a, 5b) et l'ensemble pistons-vilebrequin (30),
    lesdits paliers étant configurés pour être alimentés par le fluide de service de la machine.
  6. Machine volumique rotative selon la revendication 1, comprenant :
    • deux flasques (5a, 5b) fermant latéralement l'enceinte (2), présentant des ouvertures (111) permettant l'admission et l'échappement de fluides dans des chambres à volume variable (102, 101) définies par les pistons ; et
    • une encoche radiale (121) dans un flanc latéral de chaque piston (1), positionnée en regard d'une ou de plusieurs des ouvertures (111) des flasques (5a, 5b).
  7. Machine volumique rotative selon la revendication 6, dans laquelle chaque piston (1) présente une surface extrados (117) en regard de l'enceinte (2) et un canal interne reliant la surface extrados (117) à ladite encoche dans le flanc latéral.
  8. Machine volumique rotative selon la revendication 1, comprenant des joints tournants (13) dans chaque piston, aptes à rouler sur l'enceinte lors de la rotation des pistons (1).
  9. Machine volumique rotative selon la revendication 1, comprenant des joints ajustables (14,11) dans chaque piston, dont la pression de contact sur l'enceinte (2) est ajustable en fonction de la pression dans des chambres à volume variable (102, 101) définies par les pistons.
  10. Machine volumique rotative selon la revendication 1, comprenant :
    • deux flasques d'extrémité (5b, 119) fermant latéralement l'enceinte (2) ; et
    • un troisième flasque (5a) monté libre en translation axiale dans l'enceinte (2), formant entre les pistons et l'un des flasques d'extrémité une préchambre d'admission (125) ou une postchambre d'échappement de fluides.
  11. Machine volumique rotative selon la revendication 1, comprenant des volumes escamotables agencés localement dans l'enceinte ou le vilebrequin, configurés pour accroître le volume d'une chambre à volume variable définie par les pistons.
  12. Machine volumique rotative selon la revendication 11, dans laquelle les volumes escamotables incluent des cavités (20) dans lesquelles coulissent des pistons précontraints (18, 19).
  13. Machine volumique rotative selon la revendication 12, dans laquelle les volumes escamotables incluent des cavités (20) rendues étanches par rapport aux chambres à volume variable par une membrane souple (25).
  14. Machine volumique rotative selon la revendication 13, dans laquelle lesdites cavités (20) contiennent un fluide dont la pression est régulée en fonction de la pression dans les chambres à volume variable.
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