Le moteur Stirling représente en réalité une vaste gamme de moteurs différents dont une classification a été réalisée par Lemrani & Stouffs dans [18]. Au-delà de cette classification, il est possible d’attacher une autre grille de lecture, et de catégoriser les moteurs Stirling rencontrés suivant 3 catégories [17] :
- selon le mode de fonctionnement des pistons, - selon l’agencement géométrique des cylindres, - selon le couplage des pistons.
33
Selon le mode de fonctionnement
La classification selon le mode de fonctionnement recense trois modes de fonctionnement distincts et indépendant les uns des autres.
Simple/Double effet
Les pistons du moteur peuvent être à simple ou à double effet. Les moteurs à simple effet représentent la plupart des moteurs qui ont été rencontrés jusqu’à présent. Ils sont classiquement constitués de deux pistons : un piston moteur et un piston déplaceur qui peuvent être soit dans le même cylindre, ou alors chacun dans un cylindre.
La configuration à double effet, développée dans les laboratoires de Philips correspond en quelque sorte à une mise en série de différents moteur Stirling. Il y a alors deux ou plusieurs pistons qui sont chacun moteur ou déplaceur du fluide vers les cylindres voisins. L’avantage de cette configuration réside dans la réduction du coût de réalisation et l’encombrement des machines de fortes puissances.
Figure 1-18 - Schématisation illustrée d'un fonctionnement simple effet et double effet [17]
Mono/Multi phasique
On distingue ici les moteurs Stirling selon le nombre de phases thermodynamiques du fluide à l’intérieur de la machine. Dans la plupart des cas, et notamment dans le cadre de cette thèse, le fluide de travail à l’intérieur du moteur est un gaz monophasique. Cependant, dans le cas de la fluidyne vu dans la partie 1, le fluide peut être diphasique et cette catégorie permet de distinguer cette machine particulière des autres.
34 Résonnant / non résonant
Cette distinction n’est utile que dans le cas des machines Stirling à piston libre. Les machines dont le fonctionnement est qualifié de résonnant sont celles dont le mouvement des pistons est continu et sinusoïdal. La fréquence à laquelle ils se déplaceront correspond alors à la fréquence propre du système. A l’inverse, il existe des machines dont les pistons déplaceur et/ou moteur sont eux-mêmes alimentés et forcés dans leur mouvement. On parle également d’un mode de fonctionnement « over-driven ».
Selon leur forme géométrique
La classification suivant la forme géométrique concerne la façon dont sont arrangés les cylindres qui accueillent les pistons. On dénombre alors trois grandes classes géométriques de moteur Stirling : les moteurs de type alpha, les moteurs de type beta et les Stirling de type gamma. Chacune de celles-ci ont été globalement uniformément développées. Elles disposent toutes d’atouts et d’inconvénients les unes par rapport aux autres.
Stirling alpha
Dans la configuration alpha, le moteur Stirling dispose de deux cylindres entièrement dissociés ce qui permet donc d’écarter les deux sources de températures. On retrouve les trois parties principales qui constituent une machine Stirling : Le régénérateur et les deux pistons. Les deux pistons sont des pistons de ‘puissance’, dans le sens où l’un des deux pistons est clairement responsable de la compression du gaz tandis que l’autre est clairement responsable de la détente. Pour récupérer de l’énergie mécanique exploitable, le piston de compression désigne le piston coté froid, et le piston de détente désigne le piston coté chaud.
Figure 1-19 - Configuration alpha du moteur Stirling [e2]
Ce type de moteur dispose d’un bon compromis puissance/volume. La contrainte technique principale repose dans l’étanchéité mobile du piston coté source chaude.
35 Stirling Beta
La configuration Beta du moteur Stirling correspond à l’architecture présentée dans la partie précédente qui explique les principes de fonctionnement du moteur. Le moteur est articulé autour d’un seul cylindre dans lequel se trouvent le piston moteur et le piston déplaceur alignés sur le même axe. Contrairement au Stirling beta, on ne parle plus de piston compression ou détente. Dans cette configuration géométrique, c’est le piston moteur qui s’occupe de réaliser et la compression et la détente. Celui-ci récupère alors le travail mécanique net tandis que le piston déplaceur entraine le fluide de travail d’une source de température à l’autre.
Figure 1-20 - Représentation béta du moteur Stirling [e2]
Ce type de moteur ne dispose pas de joint mobile dans la partie chaude. En revanche l’étanchéité du piston moteur est plus délicate. Il permet un fort taux de compression grâce au chevauchement des courses des deux pistons.
Stirling Gamma
La configuration Gamma est un compromis entre la Beta et l’Alpha. Plus précisément il s’agit d’une configuration Beta d’un point de vue thermodynamique, dans laquelle les pistons sont disposés dans deux cylindres différents. Il s’agit de la configuration la plus ancienne, celle de la première machine brevetée par les frères Stirling.
36
Ce type de moteur possède un encombrement élevé, et un volume mort important. Cela implique donc un faible taux de compression et une puissance par unité de volume plus faible. Il présente cependant l’avantage d’être simple à concevoir mécaniquement. On les trouve souvent en pratique dans les machines Stirling double-effet [17].
Selon le couplage des pistons
On distingue trois types possibles de couplages entre les pistons : rigide, gazeux ou liquide. Le couplage liquide correspond au cas particulier de la fluidyne rencontré précédemment, dans laquelle les pistons sont eux-mêmes constitués par des colonnes de liquide.
Couplage rigide
Le couplage rigide concerne les machines dont les pistons sont mécaniquement reliés entre eux par un système rigide. Il existe différents types de mécanismes permettant de réaliser un tel entrainement des pistons. Le système le plus connu étant la bielle-manivelle qui a équipé la plupart des premiers moteurs Stirling. On peut citer en exemple d’autres systèmes de couplage mécanique comme l’entrainement rhombique ou l’entrainement swash-plate. Les considérations pratiques à prendre en compte derrière l’invention de nouveaux systèmes d’entrainement résident dans la diminution des forces de frottement du piston moteur sur la chemise de son cylindre et l’amélioration de l’étanchéité permettant de réduire les fuites. Les moteurs en couplage rigide portent également l’appellation de moteur en fonctionnement cinématique. S’ils ont l’inconvénient de posséder plusieurs pièces en contact mécanique, réduisant la durée de vie, ils ont en revanche l’avantage d’avoir une dynamique des pistons facilement réalisable. En effet, comme on le verra par la suite, l’amplitude du mouvement et la phase entre les deux pistons d’une machine Stirling sont des paramètres fondamentaux sur les performances. Le fait d’avoir un lien mécanique entre les deux pistons permet dès la conception d’avoir les paramètres désirés.
Un autre avantage d’un tel couplage permet souvent de récupérer la puissance mécanique sous forme de mouvement rotatif, ce qui permet souvent de pouvoir se coupler directement à des génératrices électriques.
Couplage gazeux
Le couplage gazeux s’oppose au couplage rigide et concerne les machines dites à pistons libres inventées par W. Beale. Il n’y a pas ici de pièce mécanique qui assure le mouvement des pistons. Ceux-ci sont en fait uniquement mis en mouvement par l’intermédiaire de cavités gazeuses agissant comme des ressorts. En général, ces moteurs sont de configuration beta ou gamma, le piston déplaceur est relativement léger tandis que le piston moteur est massif. [4] Le moteur va alors fonctionner à une fréquence naturelle définie par les différentes raideurs ou
37
amortissements, et les masses mises en jeu. Bien que le fonctionnement paraisse simple, il s’avère en pratique très difficile de dimensionner avec précision l’aspect dynamique d’un tel moteur, contrairement au couplage rigide.
Globalement les avantages et les inconvénients sont inversés par rapport au couplage rigide. Avec un tel fonctionnement, il est possible de travailler dans une enceinte entièrement scellée, ce qui permet d’accepter des pressions de fluide beaucoup plus élevées. Les forces mettant en mouvement les pistons ne possèdent pas de composantes transversales et les frottements sont donc limités. Les machines nécessitent alors moins de maintenance, voire pas du tout.
L’inconvénient réside justement dans l’absence de mouvement rotatif en sortie. C’est pourquoi le travail de cette thèse consiste justement à étudier le couplage d’une machine Stirling à piston libre avec une génératrice linéaire.