Sciences et Physiques

Turbine Volumétrique à EMGC  » Éléments Monolithiques Gigognes Complexes « 


Abrégé

L’invention est une machine de type turbine volumétrique. Elle permet de convertir en énergie mécanique des flux naturels éoliens ou hydrauliques ; elle accepte aussi une alimentation vapeur vive.

Des aménagements permettent de l’utiliser en pompe, en compresseur, ou encore en moteur à combustion interne. La machine est intitulée « Turbine rotative volumétrique à assemblage concentrique d’éléments gigognes complexes, lesquels assurent individuellement les fonctions de piston (PIS), chambre (CHA), jupe-palette et levier d’entrainement (LEV)».

Cette nouvelle turbine bi-étage utilise une nouvelle pièce mécanique : l’élément moteur monolithique complexe (EMC) qui permet d’assurer des taux de compression très hauts, des étanchéités surfaciques partout, et des vitesses de rotation très élevées.

La nouvelle pièce (EMC) est montée en couronne d’attelage gigogne, au sein de deux couvercles latéraux qui assurent étanchéité, guidage, admission et l’échappement.

L’entrainement se fait via une double couronne externe excentrée.

emgc_1

Domaine technique de l’invention

L’invention est une machine de type turbine volumétrique dont la cinématique et l’arrangement des pièces constituantes lui permet intrinsèquement d’assurer le fonctionnement de deux à quatre étages volumétriques internes intégrés. Cette nouvelle machine permet, par exemple, de convertir en énergie mécanique des flux naturels éoliens ou hydrauliques, elle accepte aussi une alimentation vapeur vive. Des aménagements permettent de l’utiliser en pompe, en compresseur, en moteur à combustion interne, ou enfin en moteur Stirling. Cette machine est intitulée « Turbine rotative volumétrique à assemblage concentrique d’éléments gigognes complexes, lesquels assurent individuellement les fonctions de piston, chambre, jupe-palette et levier d’entrainement ».

État de la technique / Avantages de l’invention

Dans le domaine des machines rotatives volumétriques, qu’elles soient de type moteur ou de type compresseur/pompe, les forts taux de compression, ou encore les volumes minimums « Vmin » très proches de zéro sont rarement et/ou très difficilement atteignables, cela est souvent dû à la rigidité physique de la cinématique utilisée qui impose des volumes morts, comme par exemple sur le moteur WANKEL; une autre grosse difficulté est de ne pas pouvoir assurer des étanchéités surfaciques efficaces et partout, en premier au niveau des chambres soumises à de fortes pressions en cours de cycles. En synthèse, les machines rotatives volumétriques existantes acceptent des vitesses de rotation très élevées au détriment de leurs caractéristiques de rendement intrinsèque global, ce sont les trop nombreuses zones d’étanchéité de chambre linéiques qui grève le plus ce rendement et /ou occasionnent des usures rapides des segments. Cette nouvelle invention de machine rotative – particulièrement dans sa version à 2 étages – dispose d’une capacité physique à atteindre de très hautes pressions pour les « Vmin » de chambres en autorisant des volumes proches de zéro en fin de compression. Un paramétrage aisé de la cinématique et la faculté de gérer toutes les zones d’étanchéités via de larges contacts surfaciques maximisent le rendement. Le point le plus favorable de ce nouveau concept est situé lors des phases de pression maximum particulièrement dans les chambres de l’étage extérieur de la version bi-étage (spécificité du point angulaire du « Vmin » en fin de compression). L’ensemble de ces avantages est valable à tous les régimes de fonctionnement y compris lors des vitesses de rotation très élevées que cette nouvelle machine est potentiellement capable d’atteindre.

emgc_2

emgc_3

Bref descriptif des éléments moteurs monolithiques

emgc_4

Les éléments moteurs monolithiques gigognes – complexes au regard de leur forme primitive (Fig. 1) – et que l’on peut aussi appeler« piston-chambre-palette » sont reliés / articulés à un axe central commun (AXC) par un ou deux oeuillets situés en partie inférieure de leurs jupes respectives (Fig.4), chaque élément moteur complexe possède une chambre en creux (CHA) en forme d’arc de cercle sur un côté (partie femelle) et un rostre – ou piston – (PIS), lui aussi en arc de cercle, de l’autre côté (le rostre ou partie mâle est de forme complémentaire à celle la chambre au jeu de fonctionnement près) = voir (Fig. 1 et 2). Selon ces formes génériques communes, chacun des éléments moteurs complexes est emboîtée et coulisse avec son suivante et avec son précédente, ces caractères d’imbrications circulaires sont résumés par l’appellation « éléments gigognes complexes ».

emgc_5

Selon la version choisie, un levier d’entraînement (LEV) vissé dans la jupe – version 2 étages – (Fig. 1 à 5) , ou bien le prolongement de la jupe par une partie en forme de lame (LAM) orientée vers le haut – version 4 étages – (Fig. 6 et 7) complète la forme globale et ajoute/apporte à l’élément complexe sa fonctionnalité d’entrainement externe.

emgc_6

emgc_7

Pilotage angulaire des éléments moteurs complexes

Une double couronne extérieure (DCE) tourne de façon excentrée et entraîne les éléments moteurs monolithiques complexes via des noix de liaison munies de glissières et régulièrement réparties sur son pourtour (Fig. 5). Les leviers d’entraînement (version 2 étages) ou les lames de prolongement (version 4 étages) situés en partie haute des éléments moteurs monolithiques complexes viennent s’appuyer dans les glissières intérieures des noix (NOI) en les traversant de part en part (Fig. 3 et 6). Grâce à ces arrangements, l’évolution des variations angulaires cycliques de chaque élément moteur complexe est assuré avec rigueur et précision en fonction de la valeur de l’excentrage choisi.

emgc_8

emgc_9

Positionnement / Description des 4 étages

La nouvelle machine peut exploiter au maximum des variations volumétriques sur 4 étages (Fig. 8 et 9) caractérisés comme suit : le périmètre du premier étage est délimité par les évolutions angulaires relatives des jupes des éléments moteurs sur un tour, ce, à proximité immédiate de l’axe central de rotation (AXC), voir (Fig. 5) ; le périmètre du deuxième étage de variations volumétriques est caractérisé par l’ensemble des emboîtement gigognes chambres (CHA) / rostres-piston (PIS) et leurs évolutions relatives sur un tour (Fig. 5), le périmètre du troisième étage de variations volumétriques est délimité par ces mêmes palettes (EMC), mais cette fois ci entre :

a) l’extrados du deuxième étage (extérieurs des emboîtements coulissants chambres / rostres),

b) le prolongement externe en lame de leur profil et

c) l’intérieur de la couronne externe excentrée = voir (Fig. 8 et 9) ;

Enfin la machine possède un quatrième étage potentiel dont le périmètre est compris entre :

a) l’extérieur de la couronne d’entraînement excentrée,

b) les surfaces de lame dépassant de la couronne d’entraînement excentrée et

c) le profil intérieur du stator de chambre, voir (Fig. 8 et 9).

Dans la version 4 étages, le stator de chambre possède un profil intérieur parfaitement circulaire et concentrique avec l’axe central du moteur. La transmission du mouvement est assurée par un axe extérieur latéral – solidaire de la couronne d’entraînement excentrée – et monté sur des paliers logés dans un des flasques latéraux. Exemple d’utilisation en version 4 étages : le premier étage peut assurer un rôle de pompe à eau, le deuxième étage un rôle de pompe à huile, les deux autres étages étant alors destinés / réservés aux étages moteurs. En version 2 étages, le moteur comporte une option particulière : le taux de compression peut devenir réglable / modifiable en marche normale en jouant sur la valeur d’excentrage de la double couronne d’entraînement par un dispositif mécanique.

État de la technique antérieure

En arrière plan technologique, il existe depuis très longtemps (1805 pour les origines) différents concepts de machines à palettes plus ou moins bien pilotées : par exemple les moteurs TROTTER (brevet Anglais de 1805), LAMB (brevet Anglais vers 1840 ?), COCHRANE (brevet USA vers 1841 ?), MALLORY (brevet vers 1850 ?) et SMITH (brevet vers 1840), pour ne citer que ceux là.

La majorité de ces machines comportent soit une seule palette pilotée, soit un seul étage, jamais les deux étages et plusieurs palettes parfaitement pilotées, d’autre part, l’organisation des étanchéités internes ne semble pas ou peu étudiée, ni même souvent décrite, et il est constaté que dans la majorité des cas, la cinématiques empêche ou restreint les possibilités de réglages, et à fortiori la variation du taux de compression en cours de fonctionnement, cette possibilité intrinsèque de taux de compression variable en marche n’est en tous cas jamais évoquée ni revendiquée sur une machine à palettes de ce type.

Dans la majorité de ces machines, l’étanchéité – contact segment / chambre – est linéique, donc bien plus délicate à assurer et le volume minimum « Vmin » de la chambre en cours de cycle est loin d’approcher le zéro.

A ma connaissance, dans aucune des machines citées en arrière plan technologique, il n’est fait état ou indiqué/référencé l’emploi d’éléments moteurs gigognes (Fig. 1 à 4 et Fig. 6) comme le revendique cette invention.

D’autre part, on reconnaît différentes cinématiques théoriques et différents techniques de fonctionnements de turbines volumétriques à palettes rotatives : en mode compresseur ou machine alimenté en fluides / air sous pression, mais dans la majorité des cas les versions de prototypes en moteur thermique n’ont jamais pu être mis au point à la seule exception de la turbine thermique volumétrique radiale de Jean Claude LEFEUVRE (brevet FR 19810005028 du 13 / 03 /1981), laquelle turbine à longuement fonctionné avec satisfaction et sur plusieurs milliers de kilomètres dans les années 80 /90 après qu’elle fût installée sur une grosse moto.

Sinon, hors le périmètre des machines à palettes pilotées, et pour les concepts à palettes libres :

Pour de hautes vitesses, l’extrémité de palette produit un frottement important sur le profil interne de stator de chambre, ce frottement dépend étroitement de l’ampleur de l’orbite de révolution et de la masse unitaire de la palette. La majorité des machines de ce type fonctionne en compresseur, en pompe, ou encore en turbine motrice alimentée en air comprimé. Elles sont souvent équipées d’un rotor de petit diamètre. Aucune de ces machines n’est intrinsèquement à double étage et ne peut fonctionner en mode thermique.

Quelques autres brevets de machines diverses à palettes rotatives en arrière plan technologique :

THOMAS HARDING 1895, le déplacement radial des palettes ne semble pas totalement contrôlé et il y a d’inévitables frottements des hauts de pales avec le profil interne du stator de chambre.

La machine de EDOUARD H. WERNER 1902, s’apparente plus à une machine à losange déformable comme la quasi turbine du Canadien G. ST HILAIRE ou encore le moteur à losange déformable du Français J. P. AMBERT, il y a frottements structurels des éléments moteurs sur le profil interne du stator de chambre.

Dans le moteur de KOBAYASHI AKIRA, le déplacement radial des palettes semble totalement contrôlé / maîtrisé, mais le degré de liberté radial des palettes est assez limité suite à l’usage d’une came plus externe (elle n’est pas située au centre du moteur), laquelle came restreint de façon importante l’amplitude potentielle du déplacement radial.

Dans les années 30 l’Américain Harold CAMINEZ déposa un brevet de moteur rotatif à éléments pilotés par came et double parallélogramme déformable (US patent 1 714 847 du 28 mai 1929), toutefois il n’eut pas recours à l’usage de palettes mais à l’usage de pistons et les efforts de pression des gaz se conjuguaient aux efforts alternatifs dus aux masses en mouvement, de sorte que la came interne était rapidement soumise à des vibrations et à des efforts radiaux trop importants : le prototype semble être resté dans un état embryonnaire.

Le seul concept recensé à ce jour et pratiquant le pilotage total des palettes multiples semble être le moteur MALLORY and Co, cette machine (inventée début 1900) ne comportait qu’un seul étage de variations volumétriques et ne semble pas avoir fonctionné réellement.

Nouvelles techniques et variantes cinématiques

Plus récemment (année 2000, un inventeur et scientifique anglais Thomas Sidney Peat de la ville de Halkirk (SCOTLAND) a réalisé des études intéressantes sur les machines à palettes pilotées 1 et 2 étages, toutefois aucun brevet ne semble encore avoir été déposé. A noter enfin mon dernier dépôt de brevet Français du 11 janvier 2011, demande N° 11 00085 concernant une nouvelle turbine volumétrique à bielle de pilotage de palette, rotor et vilebrequin coaxiaux et contre rotatif, cette machine ne peut comporter qu’un seul étage actif.

Il semble donc qu’aucune machine à multiples palettes pilotées et à quatre étages potentiellement exploitables /intégrés ne semble donc avoir été inventée à ce jour. L’organisation intrinsèque d’une cinématique à quatre étages actifs est désormais possible et sa description réalisée autour d’une nouvelle pièce fondamentale : un élément moteur monolithique complexe (EMC) (Fig 1à 7) au regard de sa forme et que l’on appellera vulgairement «piston-chambre-palette », cette nouvelle organisation paramétrable et modifiable en fonctionnement peut comporter deux étages intérieurs à haut niveau de variations volumétriques et deux autres extérieurs à plus bas niveaux de variations volumétriques qui peuvent fonctionner de façon parfaitement autonome / indépendante au regard de l’amplitude de ces variations volumétriques respectives, l’organisation repose sur une nomenclature très réduite de pièces principales simples : des pistons-chambres-palettes similaires (EMC) ayant une forme caractéristique nouvelle leur permettant d’assurant plusieurs fonctionnalité, les pistons-chambres-palettes sont articulées sur un axe central (AXC) et s’emboîtant entre elles (fonctions gigognes) selon leurs positionnements relatifs et consécutifs imposés par une double couronne d’entraînement extérieure excentrée (DCE).

Pour des raisons de fabrication et de montage, la couronne d’entraînement est fractionnée en deux parties qui, une fois entretoisées et boulonnées entre elles, insèrent des noix articulées (NOI) en garantissant pour chaque noix un libre pivotement, à raison d’une noix pour chaque piston-chambre-palette, les pistons-chambres-palettes traversent chacune une noix via un levier d’entraînement (LEV) (version 2 étages) ou une lame de prolongement (LAM) (version 4 étages) , les noix (NOI) sont réparties équitablement (angulairement) dans le pourtour de double couronne d’entraînement excentrée (DCE), enfin un stator de chambre extérieur et deux flasques latéraux d’étanchéité spécifiques complètent la version la plus élaborée, celle à 4 étages.

Sur la turbine thermique de Monsieur LEFEUVRE, les difficiles contraintes d’étanchéités et de graissage ont été brillement résolues et le fonctionnement s’est avéré pérenne et fiable. Des variantes de développement de cette nouvelle invention peuvent maintenant s‘appuyer sur une théorie de fonctionnement et une mise en œuvre technique incontestable étayée par les travaux de Monsieur LEFEUVRE. La présente invention permet d’envisager des machines à 2, 3, 4, 5, 6 ou plus de pistons-chambres-palettes (EMC) parfaitement pilotées (aucun frottement centrifuge du haut de palettes sur l’intérieur du stator de chambre pour la version 4 étages), parfaitement étanchables (100% des contacts sont surfaciques) et/ou des machines pour lesquelles de très hautes vitesses de rotation seront privilégiées, les dispositifs de graissage et de refroidissement étant facilement intégrables dans la conception initiale.

Cette invention vise à proposer des options cinématiques inédites pour l’accès à des seuils de vitesses de rotation très élevés et des taux de compression très hauts pour ce type de machine rotative volumétrique à deux étages ; l’obtention d’un pilotage rigoureux des pistons-chambres-palettes (EMC) et une étanchéité surfacique en touts points des frottements relatifs des pièces en mouvement sont des avantages relativement intéressants. Le périmètre des versions de fonctionnement est très large et il est accentué/favorisé par le choix possible du nombre d’étage entre 2 et 4 au maximum (mode vapeur vive compound, hydraulique, thermique, Stirling, etc).

Synthèse reformulation de l’invention

Cette nouvelle machine moto-turbine se résume dans l’adoption d’une toute nouvelle pièce mécanique qui permet d’assurer des taux de compression très hauts, des étanchéités surfaciques partout, et des vitesses de rotation très élevées : l’élément moteur monolithique complexe ou « piston-chambre-palette » (EMC) est monté en couronne d’attelage gigogne à partir de 2 éléments minimum ; chaque élément moteur monolithique complexe est défini par une jupe en forme de part de gâteau comportant un à deux oeuillets d’articulation en partie inférieure, une chambre en creux (CHA) et en forme d’arc de cercle sur un côté (partie femelle) et un rostre-piston (PIS), lui aussi en arc de cercle, de l’autre côté, la chambre et le piston de chaque élément rotatif complexe suivent un profil en arc de cercle de rayon identique et ayant pour centre celui des oeuillets, les dimensions – largueur, longueur et hauteur – de la chambre sont de mêmes valeurs nominales que celles du piston, aux jeux de fonctionnement près. Une double couronne d’entraînement extérieure (DCE) munie de noix de coulissement régulièrement réparties sur le pourtour pilote les éléments moteurs monolithiques complexes grâce à une rotation autour d’un axe fictif excentré par rapport à celui de l’articulation centrale (AXC) (Fig. 5).

La version 2 étages se distingue par deux couvercles latéraux (CLA) qui son détaillés comme suit : une partie usinée en forme de demi boite à camembert avec un diamètre d’alésage intérieur permettant de coiffer exactement et au jeu près l’attelage circulaire d’éléments moteurs complexes (EMC), chacun des 2 couvercles est muni de trois bras avec, en extrémité de chaque bras, un perçage permettant de fixer les 3 galets (GAG) requis pour le guidage rotatif de la double couronne d’entrainement (DCE) (Fig. 5).

Regroupement des fonctionnalités par pièce

Chaque élément moteur monolithique complexe (EMC) assure les fonctions de : PISTON, CHAMBRE, JUPE et/ou PALETTE, LEVIER D’ENTRAINEMENT.

La double couronne d’entraînement extérieure (DCE) avec sa rotation excentrée par rapport à l’axe central d’articulation (AXC) de l’attelage rotatif des éléments moteurs monolithiques complexes assure les fonctions de volant moteur et d’entrainement/calage angulaire de chacun des leviers des éléments moteurs (EMC) par l’intermédiaire de leurs noix respectives (NOI).

Les deux couvercles latéraux (CLA) assurent l’étanchéité latérale des chambres de l’attelage rotatif gigogne, assurent le guidage en rotation de la double couronne externe (DCE) par l’intermédiaire des 3 bras munis de 3 galets de guidage (GAG) ; chacun des 2 couvercles latéraux (CLA) est muni de 4 orifices d’échange de fluide avec l’extérieur, à savoir : 1 orifice d’admission pour le premier étage et 1 pour le deuxième étage, 1 orifice d’échappement pour le premier étage et 1 pour le deuxième étage ; la machine bi étagée comporte ainsi 8 orifices d’échange avec l’extérieur aménagés sur les surfaces planes en forme de disque des couvercles latéraux, 4 sont dédiés aux admissions et 4 dédiés aux échappements.

Nota et glossaire

Nota

Au sujet de la sémantique utilisée : le piston (PIS) est aussi appelé rostre ou encore tenon, la chambre (CHA) est aussi appelée mortaise, l’élément monolithique complexe (EMC) est aussi appelé «piston-chambre-palette » en référence aux noms utilisés dans les moteurs actuels.

Réalisations pratiques : l’élément monolithique complexe (EMC) utilisé dans la version à 2 étages peut être taillé dans la masse (Fig. 1), y compris sa partie levier d’entrainement (LEV), mais pour des raisons économiques il est préférable/plus pertinent d’avoir recours à un levier vissé (Fig. 2 à 5).

Nomenclature descriptive de la pièce principale au cœur du concept spécifique à la machine :

L’élément monolithique complexe (EMC) possède 5 parties distinctement identifiables (Fig 2 et 6)

– une partie haute, avec pour la version 2 étages un levier d’entrainement (LEV), ou pour la version 4 étages un prolongement en palette (PAL)

– une partie médiane latérale droite de type piston (PIS)

– une partie médiane latérale gauche de type chambre (CHA)

– une partie basse de type jupe

– une partie oeuillets sous jupeA titre d’exemple

Un moteur bi étages muni de 6 éléments moteurs complexes (EMC) aura aussi les pièces suivantes :

– 1 axe central de rotation/articulation (AXC) pour l’assemblage des 6 éléments (EMC)

– 1 double couronne d’entrainement extérieure (DCE)

– 6 noix de coulissement/articulation des leviers sur la double couronne

– 2 couvercles latéraux d’étanchéité à 3 branches

– 3 galets pour guidage en rotation de la double couronne extérieure et fixés sur branches des couvercles latéraux.

Présentation finale

La turbine rotative volumétrique à assemblage concentrique d’éléments gigognes complexes utilise un nouveau type de pièces qui assurent individuellement les fonctions de piston, chambre, jupe-palette et levier d’entrainement. Deux versions de machine sont proposées : une version à 2 étages de variations volumétriques et une version à 4 étages de variations volumétriques.

La version à deux étages est la base déterminante de l’invention, elle se résume comme suit :

Au moins deux éléments moteurs complexes (EMC) sont articulés sur un axe central (AXC), ces éléments moteurs monolithiques complexes assurent à la fois les rôles de piston, chambre, palette et leviers d’entraînement, plus en détails, le descriptif fonctionnel de l’élément moteur (EMC) est le suivant : une jupe en partie basse et en forme de part de gâteau avec un ou deux œillets sous jupe pour l’articulation sur l’axe central, un tenon / piston (PIS) en partie médiane latérale de l’élément moteur (haut de jupe), une mortaise / chambre (CHA) en partie médiane latérale de l’élément moteur, partie opposée au tenon, une crête de solidification structurelle en partie haute avec, dans l’axe médian vertical de la crête, un trou fileté permettant de fixer un levier individuel d’entraînement (LEV) ; l’organisation d’un attelage circulaire fermé de plusieurs éléments moteurs (EMC) leur permet de coulisser/pivoter angulairement les uns dans les autres : la chambre (CHA) de chaque élément reçois le piston (PIS) de l’élément précédent alors que son propre piston s’insère dans la chambre de l’élément suivant.

Une double couronne extérieure entretoisée (DCE) permet l’entraînement et le contrôle parfait des déplacements rotatifs angulaires des éléments moteurs complexes lors de la rotation cyclée; cette double couronne tourne selon un axe de rotation fictif excentré par rapport à celui de l’axe de rotation/articulation central (AXC) utilisé par les éléments moteurs complexes ; outre sa fonctionnalité première qui est le guidage des éléments moteurs, la double couronne extérieure entretoisée sert aussi de sortie moteur principale.

Des noix de liaisons (NOI) entre la double couronne extérieure et chaque élément moteurs complexe sont équitablement réparties autour de la double couronne entretoisées en fonction du nombre d’éléments moteurs monolithiques complexes choisis ; les noix sont articulées individuellement sur la double couronne et comportent chacune une zone de glissement radial organisée pour le coulissement de chaque levier d’entraînement (LEV) des éléments moteurs monolithiques complexes au cours du cycle de rotation.

Deux couvercles latéraux (CLA) assurent le maintien et les étanchéités latérales des éléments moteurs pour les différentes chambres actives des 2 étages et reçoivent aussi les orifices et les organes d’admission et d’échappement de la machine, en outre ces deux couvercles latéraux possèdent chacun 3 branches de support pour les 3 galets (GAG) assurant le guidage en rotation de la double couronne extérieure (DCE).

Brevet français : worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?DB=fr.espacenet.com&locale=fr_EP&FT=D&date=20130712&CC=FR&NR=2985539A1&KC=A1

Prendre contact avec l’inventeur : HA PHAM Pascal

E-mail : pascal.hapham@cofiroute.fr

Site Web : www.ipernity.com/blog/pascalhapham/375041

C'est à vous !

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google

Vous commentez à l’aide de votre compte Google. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur la façon dont les données de vos commentaires sont traitées.