Brevet FR2117755A1 — publié le 19720728

L'invention concerne des moteurs dynamiques à fluide qui sont par définition des dispositifs dans lesquels de énergie thermique est fournie à un fluide gazeux de travail, partiellement transformée en énergie cinétique du fluide de travail et finalement utilisée par transformation de l'énergie cinétique soit en travail extérieur par une turbine, soit en poussée directe. Des exemples de moteurs dynamiques à gaz du genre défini sont les turboréacteurs, les statoréacteurs, les systèmes Wturboshaft" et dispositifs similaires. Tous ces dispositifs fonctionnent en modifiant l'état du gaz de travail conformément aux lois de la thermodynamique en une série de transformations d'état qui, si lton veut réaliser un fonctionnement stable (à la différence par exemple d'une seule explosion à extrémité ouverte) doit finalement ramener le gaz à l'état initial, constituant ainsi un cycle fermé. Dans certains cas, un segment du cycle se produit hors du moteur, quand par exemple le gaz de travail est de l'air emprunté à l'atmosphère et renvoyé ensuite à l'atmosphère après avoir subi diverses actions des éléments internes du moteur. Etant donné que les pressions d'admission et d'échappement sont égales entre elles et à la pression atmosphérique extérieure, le segment de fermeture du cycle peut être considéré comme une transformation à pression constante. Dans d'autres cas, le flui de de travail est complètement contenu à l'intérieur du moteur et le cycle est fermé par une autre transformation, par exemple une transformation isotherme dans le condenseur d'un moteur à vapeur. Les deux genres de cycles sont employés dans des moteurs dynamiques à gaz du type ici défini.En conséquence, tous les moteurs dynamiques à gaz sont caractérisés par un cycle thermodynamique comprenan-L au moins un segment ou transformation dans lequel de l'énergie thermique est fournie au gaz (par exemple par combustion de combustible dans celui-ci) et un segment, qui peut être ou non distinct de l'autre, dans lequel une partie de la teneur en chaleur (enthalpie) du gaz est transformée en énergie cinétique (par exemple par détente du gaz à travers une tuyère). La quantité d'énergie cinétique que l'on peut extraire d'une masse de gaz en mouvement est mesurée par ce qu'on appelle la pression de stagnation qui est par dé finition la pression que le gaz atteindrait si on l'arrêtait totalement, utilisant ainsi toute l'énergie cinétique disponible pour décélérer le gaz en une recompression adiabatique. Il est bien connu que le processus consistant à chauffer un gaz pendant qu'il se meut dans un conduit diminue sa pression de stagnation. Ce processus est décrit dans un manuel de thermodynamique de A. H. Shapiro intitulé "The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow", New York 1953. Dans ce livre, ce processus est décrit au volume 1, page 199, comme suit : "Le chauffage agit toujours de manière à réduire la pression de stagnation, que la vitesse soit subsonique ou supersonique". Donc, le chauffage d'un gaz en mouvement réduit la quantité nette d'énergie cinétique disponible et va donc à l'encontre du but qui est d'en extraire la quantité maximale possible d'énergie cinétique, ce qui diminue le rendement global du cycle thermodynamique. On peut éviter la difficulté Si l'on effectue le chauffage lorsque le fluide est pratiquement au repos, comme dans le cas des chaudières à vapeur, mais la difficulté est très réelle lorsque le fluide doit se mouvoir à grande vitesse pendant qu'on le chauffe, étant donné la nature même du type particulier de moteur, comme c'est le cas dans les-appareils de combustion de moteurs à réaction.Dans le livre susdit, volume 1, page 202, il est dit que "Cela représente une restriction de la capacité des appareils de combustion à grand débit, qui s'ajoute aux limitations imposées par la vitesse maximale pour laquelle une flamme stable peut autre maintenue. Il faut noter aussi qu'avec la vitesse maximale d'entrée, une perte d'au moins 18 ffi de la pression de stagnation est inévitable, tout à fait indépendamment des pertes causées par frottement". Le but principal de l'invention est de surmonter la perte de pression de stagnation prévue pour un gaz chauffé pendant qu'il se meut à travers un conduit. Un autre but de l'invention est d'indiquer un moyen permettant de donner à un moteur dynamique à gaz un rendement plus élevé qu'il n'était possible antérieurement en exploitant une pression de stagnation plus élevée dans le gaz chauffé en mouvement. L'invention est basée sur la découverte d'aprbs laquelle la pression de stagnation d'un gaz chauffé pendant qu'il se meut dans un conduit à la vitesse du son (Mach 1, M = 1) ne diminue pas mais peut en fait augmenter et qulainsi le rendement augmente. L'affirmation citée plus haut du manuel de Shapiro est parfaitement varie en ce sens que le chauffage agit de manière à réduire la pression de stagnation, aussi bien pour une vitesse subsonique que pour une vitesse supersonique, mais le mot ntoujours" doit faire l'objet d'une exception : l'affirmation n'est pas vraie quand la vitesse n'est ni subsonique ni supersonique mais exactement sinoque.Ce cas n'est pas couvert par les équations servant normalement à calculer la variation de la pression de stagnation (comme on le fait dans tous les textes publiés sur ce sujet, y compris le manuel de Shapiro) parce que les équations elles-mêmes deviennent indéterminées quand M = 1. On a établi des équations appropriées pouvant définir le processus de chauffage d'un gaz à Mach 1. Un exposé détaillé n'est pas approprié ici mais on peut donner une esquisse de la solution : étant donné qu'on ne peut pas obtenir de solution aux équations d'écoulement de gaz à état stable avec accroissement d'enthalpie lorsque M = 1, on laisse temporairement de c8té l'hypothèse d'état stable en supposant un train d'ondes sonores qui se propage dans le gaz à l'intérieur du conduit de sorte qu'il existe de petites fluctuations périodiques de pression (et donc du nombre de Mach, M) dans le courant de gaz. Le processus de fourniture de chaleur se superpose alors aux fluctuations de pression et la perturbation du nombre de Mach sous l'effet des ondes sonores permet au gaz d'absorber davantage de chaleur qu'il n'est possible autrement. Sans entrer ici dans les détails mathématiques, on a trouvé en fin de compte que la pression de stagnation n'est plus obligée de diminuer, comme dans le cas de l'écoulement subsonique ou supersonique, mais peut rester inchangée ou même augmenter selon la situation particulière, comme le détermine la variation de l'aire de section du conduit et de la vapeur de la pression d'aval.En particulier, on a trouvé que la pression de stagnation augmente si l'on rend le conduit légèrement divergent et si l'on fait en sorte que le taux d'accroissement d'aire cor responde tout juste au taux de fourniture de chaleur sur la longueur du conduit, sans obstruer l'écoulement ni lui permettre de se dilater à un état nettement supersonique où la diminution normale de la pression de stagnation serait applicable. Il faut noter que l'on croyait impossible antérieurement de chauffer le gaz pendant qu'il se meut à la vitesse du son ; le processus est rendu possible par la présence de perturbations superposées (ondes sonores) qui peuvent ou bien être appliquées volontairement au gaz contenu dans le conduit ou bien résulter naturellement de la turbulence de la couche limite. Il n'est pas difficile d'obtenir un écoulement à Mach 1 dans un conduit. Cela se produit naturellement dans tout conduit convergent-divergent que l'on fait fonctionner à une pression supérieure au rapport critique de pression comme c'est le cas dans toutes les tuyères de Laval employées dans les turbines et toutes les tuyères de fusée utilisées pour la propulsion0 Xais dans ces cas, une vitesse sonique apparatt seulement en un endroit défini au sein du col de la tuyère. Cet endroit correspond à une surface généralement courbe ayant une extension axiale pratiquement nulle (voir le manuel de Shapiro, volume'il, pages 830-833). le gaz coupe cette surface en un temps extrêmement court qui ne laisse pas l'occasion à un trans fert de chaleur de se produire.L'amenée d'une quantité finie de chaleur au gaz est un processus nécessitant un laps de temps fini et doit se faire sur une longueur finie de conduit. Alors qu'il est très facile d'obtenir une vitesse sonique en un point du conduit, il est très difficile de la maintenir sur une distance appréciable. Dans le cas idéal, il suffirait d'insérer un tronçon de conduit à aire constante entre les sections convergente et divergente de la tuyère. En pratique, le frottement sur les parois et le développement de la couche limite coopèrent pour modifier cette configuration simple. En outre, quand on ajoute de la chaleur au gaz, il faut modifier aussi le profil du conduit pour tenir compte du changement d'état du gaz, comme expliqué plus haut, afin d'amener un accroissement de la pression de stagnation.Le profil exact à utiliser dépend bien entendu de la distribution particulière de la source de chaleur utilisée et aussi des effets secondaires du frottement et du développement de la couche limite, dont il faut tenir compte. Le mieux est de le faire expérimentalement après avoir calculé théoriquement une première approximation du profil du conduit. On comprendra ces avantages ainsi que d'autres avantages de l'invention grâce à la figure unique du dessin annexé, L'invention peut être réalisée par une structure du type représenté par le dessin. Dans cette structure, le gaz à chauffer est amené de la gauche par tout moyen approprié (non représenté) tel qu'un impulseur, un compresseur, une pression dynamique, un mouvement relatif du conduit à travers un gaz immobile etc... Le gaz rencontre d'abord une section convergente 10 dans laquelle il est accéléré jusqu'à Mach 1 par une détente (adiabatique). Le gaz entre alors dans une section de conduit 11 qui diverge doucement, dans laquelle de la chaleur est fournie au gaz par une source appropriée, par exemple une flamme 12 créée par combustion de gouttelettes de combustible 13 injectée en un point situé en amont par un pulvérisateur 14.Toutefois, il est entendu que l'on utilise seulement la flamme 12 comme exemple de source de chaleur et que lton peut utiliser dans le cadre de l'invention toute autre source concevable de chaleur capable de communiquer de l'énergie thermique à la masse de gaz pendant qu'elle se meut à la vitesse du son à l'intérieur du conduit 11, par exemple des réactions chimiques autres qu'une combustion, des effets électromagnétiques, des arcs électriques, l'absorption de rayons infra-rouges par résonance moléculaire, une activité de fission d'un combustible nucléaire gazeux, etc.. Une autre source de chaleur effectivement utilisée dans la mise au point expérimentale du dispositif est décrite plus en détail ci-après. Le conduit Il présente la forme voulue pour tenir compte du changement d'état du gaz tout en maintenant une vitesse de gaz égale à la vitesse locale du son (Mach 1). Il faut noter qutà mesure que la température du gaz varie, la vitesse locale du son varie aussi et que par suite, un nombre de Mach constant ne correspond pas à une vitesse absolue constante. Au contraire, la vitesse du gaz augmente pendant qu'il se déplace le long du conduit parce que la température s'élève à cause de la chaleur absorbée par le gaz et la vitesse locale du son augmente aussi. Aussi longtemps que Mach 1 est maintenu constant, la vitesse absolue du gaz augmente au m8me taux. C'est cet accroissement de vitesse et de température qui explique principalement l'accroissement de pression de stagnation subi par le gaz dans ce processus et par suite l'accroissement de rendement du moteur. Le conduit il est suivi d'un diffuseur 15 où une partie de l'énergie cinétique du gaz est récupérée sous la forme d'une pression accrue, de sorte que la pression à la sortie du diffuseur 15 est rendue égale à la pression à l'entrée de la section convergente 10. Le reste de l'énergie cinétique que possède encore le gaz après recompression est appliquée à un dispositif d'utilisation usuel 16 qui peut être une roue de turbine ou une tuyère de poussée fixée à l'extrémité du diffuseur 15.Le rôle du diffuseur-15 est d'annuler la variation de pression introduite par la section convergente 10 afin d'accélérer le gaz jusqu'à Nachî. La section convergente 10 et le diffuseur 15 en combinaison sont utilisés simplement pour faire en sorte que le gaz se meuve à la vitesse désirée dans la section sonique Il sans influer autrement, dans le cas idéal, sur les conditions qui règnent à l'entrée et à la sortie du dispositif. À part la simplicité structurale extrême et le bon rendement d'une combinaison convergente-divergente de buse et de diffuseur, tout autre dispositif capable d'injecter du gaz à Mach 1 dans la section sonique 11 et de le récupérer à la sortie serait également acceptable et rentre dans le cadre de l'invention. Entant donné que la pression de stagnation du gaz en mouvement est accrue par suite du chauffage dans le conduit sonique Il et n'est pas affectée autrement (dans le cas idéal) par la détente adiabatique dans la section 10 et la compression dans le diffuseur 15, il est évident que le dispositif peut chauffer le gaz en mouvement sans diminuer la pression de stagnation et en fait, peut l'augmenter.Dans un cas pratique (non idéal), divers effets coopèrent pour réduire l'augmentation maximale possible de la pression de stagnation, à savoir le frottement sur les parois et toute quantité de chaleur fournie au gaz soit dans la section convergente 10 soit dans le diffuseur 15 soit dans tous les deux, où l'écoulement n'est pas donique. (en fait, le refroidissement du gaz dans le dif fuseur peut causer un accroissement supplémentaire de la pression de stagnation).Toute fourniture de chaleur hors du conduit sonique 11 diminue la pression de stagnation et est donc nuisible, de sorte qu'il faut régler convenablement la distribution du taux de fourniture de chaleur sur tout le conduit A ce point de vue et au point de vue de la stabilité, la flamme nue utilisée ci-dessus comme exemple n'est probablement pas la meilleure source de chaleur, particulièrement dans un petit appareil expérimental. Une source de chaleur apkropriée, bien que limitée, utilisée au cours de la vérification expérimentale de la théorie et éventuellement utile dans de grands moteurs pratiques, est un fin brouillard de gouttelettes d'eau pulvérisées dans l'admission du conduit à une température supérieure à celle du gaz. Les gouttelettes, entratnées par le courant de gaz, sont entraînées à travers le conduit.La capacité thermique de l'eau Joue le rôle d'une source de chaleur jusqu'à ce que l'eau se soit refroidie et que le gaz se soit échaufé, à une température égale, moment où le transfert de chaleur cesse. Les gouttelettes, si elles sont assez fines, n'influent pas autrement sur les processus dynamiques quine déroulent dans le gaz des conduits. Un appareil expérimental, construit essentiellement sur les principes illustrés par le dessin et utilisant de l'air comme gaz de travail et comme source de chaleur, de l'eau (plus chaude que l'air) pulvérisée par un pulvérisateur placé comme on l'a indiqué pour le pulvérisateur 14, donne des accroissements mesurés de pression de stagnation de l'ordre de 10 %. Il est évident que le dispositif ici décrit, en accroissant la pression de stagnation et donc l'énergie cinétique récupérable d'un courant de gaz chauffé en mouvement, peut accrottre le rendement de tout moteur dynamique à gaz qui utilise la conversion de l'énergie thermique en énergie cinétique d'un gaz en mouvement, comme processus fondamental pour la production d'énergie mécanique à partir d'énergie thermique primaire. Cela est vrai quelle que soit la méthode particulière utilisée pour la fourniture de chaleur au gaz et/ou pour la récupération, et qui utilise l'énergie cinétique disponible accrue du gaz. REVENDICATIONS 1- Procédé de transformation d'énergie dans un moteur dynamique à fluide, caractérisé par le fait qu'on accélère un fluide à travers un moteur à la vitesse du son compte tenu de la vitesse sonique dans le fluide et qu'ensuite on communique de l'énergie au fluide pendant qu'il se meut à ladite vitesse sonique de manière à augmenter la quantité d'énergie cinétique utilisable du fluide. 2 - Procédé de fonctionnement drun moteur dynamique à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on engendre des ondes sonores dans le gaz pendant qu'il est maintenu à la vitesse sonique. 3 - Procédé de fonctionnement d'un moteur dynamique à gaz, caractérisé par le fait que l'on accélère un fluide à travers un moteur à la vitesse du son compte tenu de la vitesse sonique du gaz, que l'on communique de l'énergie au gaz tout en le maintenant à ladite vitesse sonique et qu'on utilise le gaz après que l'énergie lui ait été communiquée. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que pour communiquer de l'énergie au gaz, on le chauffe. 5 - Moteur dynamique à gaz pour la transformation d'énergie thermique en énergie mécanique, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens permettant de transporter un gaz à la vitesse du son dans ce gaz et des moyens permettant de chauffer le gaz pendant qu'il se meut à ladite vitesse sonique, les moyens de transport étant construits et définis de manière à maintenir le gaz chauffé à la vitesse sonique. 6 - Moteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu il comprend un dispositif d'utilisation obéissant au gaz. 7 - Moteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de transport comprennent un conduit présentant une section sonique interposée entre une section convergente et une section divergente de sorte que le gaz est successivement accéléré jusqu'à la vitesse sonique, déplacé à ladite vitesse sonique à travers le conduit sonique et maintenu à ladite vitesse sonique. 8 - Moteur selon la revendication 7, dans lequel la section so nique a une légère divergence, caractérisé par le fait que le taux d'accroissement d'aire est lié au taux de fourniture de chaleur le long de la longueur du conduit, sans variation de la vitesse sonique du gaz. 9 - Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens permettant d'engendrer des ondes sonores dans le gaz pendant qu'il se meut à la vitesse sonique pour faciliter le chauffage du gaz.