Brevet FR2165704A1 — publié le 19730810

La presente invention concerne tous les appareils utilisant des aubages et des ailettes pour transformation d'énergie. En hydraulique elle remplace les aubages classiques ou hémisphère creux utilisés sur turbines Pelton,Srancis,Kaplan turbines-hélices et autres types. En turbines à vapeur ou à gaz,l'action classique est succes -sive avec effet de portance et effet de trainée.les types standards sont à veine libre ou à veine forcée.les turbines sont axiales,hélicoïdes ou radiales à un seul étage ou multicellulaires.On^distingue les turbines Qungstrom et Curtis à étages de pression et étages de vitesse,à injection partielle et injection totale.En vue d'augmenter 19 puissance nous avons les turbines-tandem et les turbines cross-compound, à corps multiples,haute,moyenne,et basse pression, types Curtis,Rateau-Zoelly,Parsons,Brown-Bovéri...Tous les aubages de ces turbines sont classiques et analogues à une voilure simple.En règle générale un aubage sur deux est actif,sollicitS en portance et en trainée avec effet de couple par rapport à l'arbre support en rotation.Le second aubage,générallement fixe ou en rotation a pour effet de redresser la veine et de solliciter ltaubage suivant sous l'incidence optimale.Bn turbine Ljungstrom tous les étages sont à la fois actifs et réactifs d'où une forte densité de puissance. A tous ces types de turbines à aubage et ailettes simples sans fentes,sousmises normalement aux lois hydrauliques et aérodynamiques classiques et ayant chacun une polaire propre aussi favorable que possible en utilisation;en exploitation il est avantageux de substituer au profil classique un profil doté de dispositifs hypersustentateurs avec volet de bord d'attaque à fente et volet de bord de fuite,type fowler par exemple,miniaturisé en thermique,de dimensions courantes en hydraulique.Ces volets sont générallement fixes. En aubage ayant une corde de profil de longueur relativement élevée il y a avantage d'utiliser le profil dit à fentes multigles.L'étude ultérieure définit que les coefficients de portance en aubages classiques sont rarement supérieur à I,4,à nombre de Reynolds faible,en utilisation multicellu -laire le coefficient de portance peut atteindre seulement 0,7;les dispositifs hypersustentateurs permettent des coefficients de portance courants de 1,8 à 2,8 et les profils à fentes multiples des valeurs de 11 ordre de 3,2. En profil courant de bonnes caractéristiques la résultante aérodynamique atteint I,42.Âvec des dispositifs hypersusten -tateurs type Handley-Pagé la résultante atteint 2,8;en profil à fentes multiples elle atteint 3,32 en fluide compressible.En négligeant la résistance dés matériaux conditionnée par l'épaisseur du profil au second degré ou sa longueur au premier degré,pour un diamètre nominal de turbine donné et une veine fluide constante,nous benéficions d'un couple sur arbre dont la valeur estimée est accrue de 100% à 140%.La puissance disponible en sortie d'arbre est augmentée dans un meme rapport.Cette simple indication permet d'estimer l'incidence de cette technique par exemple en centrale productrice d'électricité où à infraastructure égale,la turbine modifiée autorise une puissance délivrée plus que doublée soit un coût de revient du KWH. inférieur de plus de 50% des tarifs actuels. En compresseur aéronautique,sur turboréacteurs,turbines à gaz et turbopropulseurs les phénomènes sont analogues aux compresseurs industriels avec générallement stator composé d'aubes distributrices et rotor à ailettes mobiles. -L'application est généralisée aux soufflantes pour reacteurs doBble-flux,que celle/s-ci soit dites soufflante avant (cas le plus fréquent),ou soufflante arrière.L'emploi est généralisé aux possibilités multi-soufflantes et aux turboré -teurs simple ou double flux multi corps de compresseur dits habituellement corps basse moyenne et haute pression que ffu2sti soient solidaires à un même arbre ou non. L'emploi est généralisé aux aubages dits de turbines sur turboréacteurs utilisés pour l'entrainement du compresseur. L'emploi sur aube distributrice est revendiqué quoique peu recommandé afin de controler avec exactitude l'incidence sur l'ailette réceptrice. L'invention vise essentiellement la croissance du rendement hydraulique et aérodynamique de l'ensemble des appareils utilisants des aubages à une finalité de transformation d'énergie. Dans l'ensemble des turbines hydrauliques,à vapeur et à gaz qu'elles soient pour la production d'énergie électrique ou non le rendement peut être plus que doublé,soit une incidence sur l'investissement en infracstructure,génie civil,nouvelle exploitation des sites à dénivellé,économie considérable en énergie thermique.L'application en 1971 permettrait un gain de 8 millions de tonnes de houille et de-lignite et de 2,4 millions de tonnes de pétrole.La prévision pour I976 est-de II millions de tonnes de houille et de lignite et un gain de 3,3 millions de tonnes de petrole.L'estimation de gain en gaz naturel pour I976 atteint II milliards de thermies.De plus la seule exploita -tion des sites actuellement utilisés en hydraulique pour la production d'énergie électrique autorise une production de IIO milliards de Eilowatts-heure.Xette estimation n'inclue pas 11 aménagement final dé la vallée du RhoAne.Cette capacité de production-pour la seule énergie hydraulique représente sensiblement la production d'énergie électrique de la rance en 1966,importations exclues,Une meilleure utilisation des réserves de houille et de pétrole en résulte,par usage modéré des sites à haute teneur,et expérimentation économique, remise à long terme des bassins moins riches pour la houille, ou de l'exploitation sur d'autres continents ou en forage sous-marin en eau internationale pour le pétrole.Politiquement la dépendance économique pour les minerais et les hydrocarbu -res est nettement réduite.Dans l'ensemble des infracstructures existantes,qutelles soient d'origine hydraulique ou thermique le seul remplacement de la turbint-autorise une production d'énergie plus que doublée,avec un coût d'exploitation par Kilowatt-heure réduit de plus de 50%.L'incidence économique sur les industries fortes consommatrices d'énergie est inégalée,leur capacité d'investissement et la rénumération du capital étant accrues de la différence du coût de l'énergie consommée annuellement.Concernant les ménages le marché s'ouvre davantage pour la vente des appareils ménagers ou des dispositifs de chauffage par l'énergie électrique. L'utilisation est généralisée aux compresseurs,aux soufflant et aux étages de turbines des turboréacteurs.Te rendement des soufflantes peut être augmenté de plus de I40 avec une pénalisation de trainée de la soufflante proprement dite. A volume et encombrement égal le taux de dilution peut être augmenté de plus de IOOSoA puissance égale un turboréacteur ou une turbine à gaz voient leur encombrement réduit en volume de valeurs variant d'environ 50fo pour une diminution d'étages à environ 75 pour une réduction de section,à vitesse circonférentirlle conservée en bout de pale.Dans ce dernier cas la masse de l'aubage est réduite d'environ 29% soit un rapport poids/poussée supérieur aux valeurs actuelles.Le rapport maximal obtenu aujourd'hui est de 6.Nous pourrons obtenir un rapport voisin de 7.La trainée peut réduite jusqu'à 75 et les pertes de charges dans l'entrée dans 1z cas d'un d-ouble flux réduites de près de 50%.La portée de ce principe en aéronautique est réduite mais la connais -sance des cods des turboréacteurs actuels et la consommation de kérosène rend l'application indispensable. Application en fluide compressible L'étude porte simultanément sur la comparaison d'aubages sans fente et d'aubages avec volets de bords d'attaque et de bords de fuite avec ou sans fentes et de profil à fentes multiples,type par exemple R.A.F. I9,avec un nombre de fentes égal de I à IO par exemple,chaque élément d'aube travaillant dans la zone optimale de portance. Comparaison entre un profil classique et un profil à fentes Les profils classiques ont une répartition de pression le long de la corde suivant la Figure Iules profils nouveaux mieux adaptés pour la résistance des matériaux présentent toujours des inégalités de pression défavorables à la portance de l'ensemhle(Figure 2).La portance du profil est représentée par l'aire comprise entre les deux courbes de pression extrados et intrados. Dans le cas de dispositifs hypersustentateurs ou de profil à fentes multiples,la croissance de l'incidence et la multiplicité des profils régénérés par les fentes accroisseht la résultante aérodynamique. Est imat ion aéronautique Le cas des turboréacteurs est L'exemple meme du problème des fluides compressibles et il présente l'avantage de posséder tous les principes utilisés habituellement dahs ce secteur,étages de turbines basse et haute pression à flux chaud,compresseur,étages de soufflante à flux froid.Nous pouvons définir en approximation le gain apporté par cette technique.Nous négligeons dans cette étude les gains obtenus en compression. Les turbomoteurs actuels sont équipés d'environ de I à 7 étages de turbine haute et basse pression équipés d'ailettes à profil simplette coefficient de portance maximum d'un profil simple est de l'ordre de I,36 pour une trainée de 0,2 soit une résultanta active de I,38.En autorisant la simple transposition en turbine de profils à dispositifs hypersusten -tateurs ou à fentes multiples,la résultante passe à 2,86 dans le premier cas et à 3,32 dans le second soit un couple actif accru de I07 et 140%. Pour le turboréacteur TF 39 de Général Electric la soufflante atteint 85% de la poussée globale.En admettant que la turbine basse pression necessite 66% de la poussée du flux chaud perdud,et enconservant la poussée nominale de ce flux chaud le gain de couple pour la trainée de la soufflante atteint 2I0.Cette capacité autorise l'emploi de profils sophistiqués.Par exemple dans un profil à fente pour une trainée triplée nous avons une portance doublée soit un gain de poussée globale accrue de 85.I1 est toutefois utile de conserver le profil simple pour la soufflante et d'augmenter le nombre d'étages ou les cordes de profil.Dans la poussée de la soufflante sur une base de 85% peut atteindre 260% soit un gain de poussée globale de I75%.I)ans le cas du CF 6-6 de G.E. la consommation spécifique est de 0,34 kg/kgp/H.Un tel réacteur équipe aurait une consommation spécifique réduité à O,I25 kg/kgpjh,soit un résultat inestimable. Etude physique des fentes et dispositifs~tersustenta~~rr ~ En général la fente équipant les volets travaille par régénération de la veine fluide accroit la portance globale par augmentation du coefficient de pression extrados,c'est à dire par diminution de pression locale,par augmentation de la pression intrados,c'est à dire double accroissement de la pression différentielle.Les diminutions de vitesse locale par cambrure exagérée,onde de Mach ont un effet réduit par la présence des fentes qui régénérent l'écoule -ment en évitant la cavition et l'effet tourbillonnaire générateurs de pression locale sur l'extrados donc diminu -tion de portance,exemple Figure 3 pour un profil classique et Figure 4 pour un profil à fente unique. k corde de profil égale les zones d'écoulement tourbillon -naire sont nettement plus réduites et les pertes de portance sont atténuées. Définition et estimation des polaires en profil classique en profils à volets et ailes à fentes multiples Pour ltétude estimative nous pouvons faire l'analogie entre un écoulement courbe d'une ailette et l'écoulement rectiligne en tunnel aérodynamique.Aux pertes de charges près imposées par l'épaisseur des ailettes I et3 nous pouvans affirmer l'analogie des coefficients de pression dans les écoulements définis dans les Figures 5 et 6. toutefois l'inertie dynamique de la veine en écoulement de la Figure 5 impose quelques alterations mais celles-ci ne sont pas du programme de cette étude. La définition de l'incidence nette est déterminée à partir du triangle de vitesse de la Figure 7 avec W vitesse et direction du jet de sortie U vitesse locale de l'ailette V vitesse et direction résultantes de la veine en sorte de l'ailette mobile. Dans le cas de l'ailette à fentes nous effectuerons le calcul dans les mêmes conditions pour déterminer V = U +W La Figure 7 est un exemple d'aubage monofente,nous pouvons naturellement utiliser le nombre de fentes que nous- voudrons les critères étant essentiellement la distribution de L'écoulement le long de la corde de profil.La distribution en aubage ou ailette à fentes est défini suivant la Figure 8. En profil ordinaire la portance est générallement élevée en bord d'attaque et se réduit le long de la corde de prof n profil à fentes la portance est régénérée à partir de chaque fente par la veine dont la vitesse initiale n'est pas réduite par le frottement sur le profil.Selon la concavité du profil la portance moyenne globale est augmentée d'environ 50% à 170%. L'étude d'un aubage isolé est particulièrement simple.Il suffit de la placer dans un tunnel aérodynamique de faible section et de définir ses courbes caractéristiques: Cz = f (i) Cx = f (i) Cz = f (C@) = f soient les coefficients de portance et trainée fonction de l'incidence,la polaire et la finesse.En veine linéaire un profil de faible cambrure donne une polaire suivant la Figure 9 (polaire n I). Âvec un profil avec volets de bord d'attaque et de bord de fuite à fentes,la polaire est indiquée Figure 9 (polaire nQ2) Pour la polaire uti les résultats en laboratoire donnent i = 0 Cz = 0,3 Cx = 0,02 i = 6Q7 Cz = 0,77 Cx = 0,053 i = 102 Cz = 0,98 Cx = 0,08 i = 162 Cz = 1,30 Cx = 0,I4 i = 19 30' Cz = I,)6 Cx = 0,I9 i = 21 Cz = I,36 Cx = 0,22 i 5 242 Cz = 1,25 Cx = 0,30 Ces valeurs correspondent à un profil sans fente,sahs volet et donnant relativement de bonnes caractéristîques.Ces valeurs sont indicatives et le constructeur peut utiliser le profil de son choix en fonction des caractéristiques d'écoulement de la turbine. Pour un profil avec volets de bord d'attaque et de bord de fuite avec fentes,la polaire est nettement plus favorable ainsi que l'attestent les résultats obtenus en tunnel aérodynamique. Le braquage du volet de bord de fuite est de 402. Le Cz maximum est plus que doublé pour une incidence respec -tive de 242 au lieu de 192 à 21 ,le Cx est pratiquement triplé variant de O,I9 à 0,22 pour le profil lisse,à 0,6 pour le profil à volets L'essentiel pour obtenir le meilleur rendement est d'orienter le vecteur de la résultante aérodynamique suivant une normale à l'axe de rotation sur les deux axes afin que chaque auBage soit sollicité par le couple maximum. Concernant la Polaire n 2 les résultats en laboratoire sont les suivants: i = 0 Cz = 0,2 Cx = 0,03 i = 6 7 Cz = 1,2 Cx = 0,12 i = 102 Cz = I,8 Cx = 0,24 i = 162 Cz = 1,9 Cx = 0,26 i = I9Q30' Cz = 2,2 Cx = 0,4 i = 212 Cz = 2,6 Cx = 0,48 i = 242 Cz = 2,8 Cx = 0,6 Pour l'application etla détermination du couple actif,si nous considérons l'in@idence constante,la vitesse locale le long d'une corde de profil est du premier degré par rapport au rayon local de la turbine corde de profil constante la portance sera représentée par une courbe du second degré.Des constructeurs préfèrent faire varier l'incidence le long du bord d'attaque de l'ailette,par exemple en augmentant l'incidence à l'emplanture afin d'obtenir une répartition plus favorable à l'étude de la résistance des matériaux. Dans d'autre cas le phénomène inverse est observé pour tenir compte de l'inertie en rotation de la veine qui se déporte vers l'extérieur des aubages,Dans ce Cas la masse spécifique de la veine étant plus élevée en extrémité d'ailette et de plus étant sousmis à la vitesse circonféren -tielle de plus grand module,le rendement global peut être superieur au détriment de la mass-e de l'ailette qui supporte un moment de flexion et de torsion plus élevé. Pour ces indications voir le diagramme des portances Figure IO La figure 9 montre les valeurs de quelques polaires de profils comparés.Les résultats concernent des documents de laboratoire et ont une valeur indicative. Nous observons la polaire n I dejà définie pour un profil classique Cz maximum = I,36 pour une incidence de I9 à 22Q. Lapolaire N 2 concerne un profil équipé de bord d'attaque avec fente et volet de bord de fuite à fente Cz maximum = 2,80 pour une incidence de 24g La polaire ne 9 concerne un profil avec volet de bord d'attaque à fente seul Cz maximum = I,77 pour une incidence de 242 La polaire n2 4 concerne un profil avec un volet de bord de fuite sans fente Cz maximum = I,95 pour une incidence de IOQ et un braquage du volet de 352 La polaire n 5 concerne un profil avec un volet de bord de fuite seul,avec fente Cz maximum = 2,40 pour une incidence de I6g et un braquage du volet de 452 La polaire n2 6 correspond à un profil équipé de 3 fentes le coefficient de portance maximum Cz = environ 2,00 La polaire n 7 correspond à un profil équipé de 5 fentes le coefficient de portance maximum est de l'ordre de 2,65 La polaire n 8 correspond à un profil équipé de 6 fentes le coefficient de portance maximum est de l'ordre de 3,20 Dans les 3 cas de polaire de profils à fentes multiples l'incidence est voisine de 402,mais l'attaque du premier élément se fait sous un angle vaisin de 16 ,le profil ayant une forte concavité. En conclusion le profil à fentes présente les meilleures caractéristiques de portance et les taux de trainée les plus élevés,donc la meilleure résultante active0 Il se présente avec une incidence élevée par rapport à la veine en mouvement,de l'ordre de 402,sous des incidences plus faibles,les caractéristiques de portance sont moins brillan -tes mais toujours supérieures d'au moins 2Sc,s par rapport au profil lisse. La figure II montre un exemple de profil à fentes multiples. Chaque élément du profil peut être défini par rapport à un profil déjà existant où la couche limite est constamment régénérée par une fentes des fins de simplification de la construction les divers éléments peuvent être identiques avec une légère pénalisation.Les profils sophistiqués ont une tendance à produire une trainée élevée,l'essentiel est que le vecteur résultant aérodynamique de la portance seule et de la trainée seule offre la meilleure caractéristique de couple actif pour le mouvement de la turbine. La Figure I de l'Abrégé montre l'exemple d'une turbine avec stator d'aubes distributrices. Dans le cas de turbine à double rotor concentrique,tournant en sens inverse,type radial à double rotation,les profils sont à fentes ou équipés de volets.Pour les types de turbines travaillant à la seule trainée,tous les profils sont alors soumis à la portance et équipés de fentes et de volets. Sans aubage de distribution nous obtenons une série de profils suivant la figure 12 .Dans ce cas nous obtiendrons un gain d'encombrement mais le rendement de la turbine est plus faible qu'avec aubage de distribution qui permet un plus grand nombre d'étages et le travail du rotor sous l'incidence optimale. En application économique il est possible d'associer ailette active et l'aube de distribution qui serait dans ce cas en rotation par un dispositif à large fente consecu -tives aux fentes et volets classiques pour ailettes,défini par la Figure I8. Tout l'ensemble,dans ce principe est en rotation et permet une turbine compacte,le rendement peut être toutefois inférieur au dispositif classique à aubage de distribution et rotor équipés de volets et de fentes. Outre l'application aux turbines classiques à vapeur et à gaz de production d'énergie et les compresseurs et ventila -teurs de tous types,le procédé est généralisé aux soufflantes,compresseurs et étages d'entrainement des compresseurs en turboréacteurs.En turbopropulseurs le procédé est généralisé aux étages soumis au flux chaud. En aéronautique les compresseurs sont classés suivant leur degré d'action et de réaction.Le procédé s'applique à tous -les types indiqués suivant les figures ci-après Etage à réaction nulle Etage à degré de réaction défini Etage à réaction totale Le degré de réaction est K = FB / AB défini sur la deuxième figure, N est le milieu de CD , H sa projection sur le vecteur U Dans tous les cas nous avons V = U + W Dans le cas des turboréacteurs le stator seul peut être équipé de fentes et de volets,l'application aux aubages du rotor étant nuisible à la compression. Toutefois les aubages d'entrainement du compresseur dits de turbine (suivant Figure I3) en sortie des chambres de combustion sont automatiquement assujettis à l'application de ce principe. Dans tous les cas d'application des volets sur ailettes à corde de profil relativement faible,pour éviter la rupture brutale de jonction avec le profil, étant donné le braquage permanent,le profil d'ensemble peut être semblable à l'aile à fentes multiples representée Figure II avec un nombre de fentes limité,par exemple,à I,2,ou 3. L'écoulement,donale rendement est amélioré. Le principe du système à volets peut être ramené suivant la figure 14. L'augmentation de rendement est acquise simultanément par un braquage accru des volets et l'augmentation de l'incidence d'attaque des ailettes.Le controle de la couche limite s'effectue par les fentes. Un système analogue par braquage de volets de bord d'attaque est également revendiqué. Pour une ailette étudiée isolément la polaire se définit suivant la figure I5 donnée à titre indicatif avec un profil à deux fentes et pour différents braquages du volet. Le coefficient de portance maximum pour ce profil à deux fentes s'établit à 2,8 pour un braquage de volet égal à 40Q et une incidencé de 24Q. Les polaires sont coupees par des courbes representant les différents coéfficients de portance à une incidence déterminée. Pour ce profil pris en exemple,type Handley Page,le coefficient de portance maximum avec une incidence de 242 est obtenu avec un braquage de volet de 409,au braquage OQ du volet le coefficient de portance est encore de 2,IO pour une incidence de 322.Les coefficients de trainée élevés relevés respectivement à environ 0,6 et 0,4 ne constituent pas un handicap comme an aéronautique puisqu'ils se composent quand la morphologie de la turbine le permet avec la portance pour donner la résultante active qui détermine le couple moteur. Différents profils peuvent eAtre définis avec ou sans fentes, avec ou sans volets de bord d'attaque et de bord de fuite, voir à cet effet le tableau joint Figure no 2 de L'Abrégé dont les caractéristiques sont valables pour lés turbines utilisées en fluide compressible et le profil valable en hydraulique. Ce procédé s'impose puisqu'à des coefficients de portance pour les meilleurs profils lisses variant de I,2 à I,4; des coefficients de traînée variant de I,I2 pour un disque plat normal au vent,à 1,33 pour unebémisphère creux concavité vers l'amont,à I,95 pour une plaque rectangulaire dont le rapport longueur / largeur est infini (I,I6 pour un rapport longueur / largeur égal à I / I ). APPLICATION EN HYDRAULIQUE L'application en hydraulique est soumise aux memes lois que les profils en aérodynamique.Nous observons une certaine modification des caractéristiques d'écoulement du fait de l'imcompressibilité. En particulier le coefficient cinématique de viscosité v qui est de 9I-dis puissance moins sept pour l'air à moins 502 et I45 dix puissance moins sept pour l'air ambiant à + I5Q passe à 17,94 dix puissance moins sept pour l'eau à 02 et II,46 dix puissance moins sept pour l'eau à 152.Le nombre de Reynolds est dans le cas de l'hydraulique beaucoup plus faibe pour des raisons de faible vitesse d'écoulement,une viscosité cinématique Ig fois plus faible à 152,sous 760 millimètres de mercure, faiblement compensé par des cordes de profil plus élevées dans le cas des turbines hydrauliques. Dans l'ensemble toutefois les polaires en hydraulique semblent nettement plus favorables qu'en aérodynamique. En regard d'une portance plus favorable les trainées sont en revanche plus faibles générallement. Naturellement dans la mesure du possible,le profil en hydraulique est positionné de telle façon que la résultante provoque le couple actif maximum pour la capacité maximale prévue pour la turbine. Pour l'aspect fondamental nous savons qu'une plaque plane subissant la poussée d'un jet,subit une pression dynamique R égale à R = a. V2. sinus2 B . w / sinus B avec a densité du liquide w section de la veine avant la choc v vitesse de la veine W ,t avant le choc2 B angle de l'axe du jet et de la plaque suivant figure ci-contre Il Cette formule est valable pour une plaque de grande surface Pour une surface réduite de la plaque nous avons R = a.W.V2.sinus 13.( I - cosinus A / sinus B ) avec a densité du liquide W section de la veine V vitesse du jet 3 angle de l'axe du jet et du plan de la plaque A angle entre une normale à la plaque et l'axe de la veine déviée suivant figure ci-contre L'effet exercé sur une plaque mince placée dans une veine en mouvement donne une pression dynamique évaluée par la formule R = u;. b . S . cosinus A * V2/ 2g avec S aire 4e la plaque W aire section A'A" avant les effets de la cavitation V la vitesse moyenne de la veine A ante entre une normale à la veine et le plan de la plaque suivant la figure ci-contre avec m = coefficient de contraction au droit de la plaque a = poids spécifique du liquide pour l'eau a est voisin de 1000 kilogrammes à 40 nous déterminons K = V / S . cosinus A et u = K ( K / m.(K-I) - I u est caractéristique du profil placé dans la veine Sur une plaque normale à une veine en écoulement u est de l'ordre de I,86 Dans ce cas la contraction est incomplète et m est supérieur à 0,62,d'où E = 8,5.La valeur de K est de l'ordre de 8 pour un angle À compris entre Oo et 452. En pratique u reste compris entre I,8 et 2,00. Sur une demi-sphère m est voisin de I,W/S se rapproche de 4,5 et u reste compris entre 0,5 et 0,6 Comparaison polaires aérodynamiques et hydrauliques La Figure I6 donne une estimation comparative concernant les polaires hydrauliques et aérodynamiques. En régle générale les meilleures polaires hydraBliques donnent un coefficient de portance hydraulique maximum de l'ordre de 40% supérieur aux meilleurs coefficients de portance obtenus en atmosphère,pour une trainée équivalente souvent réduite de 50%. En profil simple nous pouvons atteindre couramment des coefficients de portance hydraulique maximums de l'ordre de 2.En profil equipés de dispositifs hypersustentateurs nous bénéficions pour l'application en turbine de coefficients de portance hydraulique de l'ordre de 3,5 pour un coefficiext de traînée hydraulique de l'ordre de 0,3 .En profil à fentes multiples nous supprimons la cavitation par la régénération de l'écoulement,le coefficients de portance hydraulique sont supérieurs à 4,00 pour une trainée d'environ 0,5. Ces valeurs ne sont pas rigoureuses et sont variables en fonction des profils utilisés Figure I7 donnent quelques exemples de profil et leurs polaires en profil simple,en profil à volets à fentes et en profil à fentes multiples. Les profils définis suivant les polaires 4,5,6 peuvent comperter le nombre de fentes que l'utilisateur voudra pour améliorer les caractéristiques de son prof il,de I à IO par exemple ou davantage,de plus il peut adjoindre un dispositif de braquage pour chaque élément ou volet afin d'obtenir le rendement optimum pour l'écoulement du moment choisi. Les profils 1,2 et 3 sont des aubages couramment utilisés précisés dans cette étude pour la seule comparaison des profils 4,5 et 6 qui sont originaux en turbines hydraulique Concernant le profil de l'aile à fentes multiples tous les éléments peuvent semblables ou analogues pour faciliter la fabrication avec une pénalisation très faible. L'interet de cette construction apparaît très nettement. La comparaison des polaires des profils 2 et 5 sont significatifs: Profil no 2 i - - 20 Ca = 0,2 Cw = 0,03 I - - 1 Ca = 0,47 Cw = 0,02 i = 0,5 Ca = 0,6 Cw = 0,015 i = 2 Ca = 0,75 Cw = 0,014 i = 52 Ca = I,O Cw = 0,015 i = 72 Ca = I,2 Cw = 0,02 i = 10 Ca = 1,5 Cw = 0,05 i = 16 Ca = 1,9 Cw = 0,12 i = 22Q Ca = I,9 Cw = 0,I5 i = 25Q Ca = 1,7 Cw = 0,2 avec Ca coefficient de portance hydraulique Cw coefficient de trainée hydraulique i incidence du profil Profil n 5 i = - 2Q Ca = 0,2 Cw = 0,06 i = - 1 Ca = 0,3 Cw = 0,04 i = 0,5 Ca = 0,6 Cw = 0,03 i = 22 Ca = 0,9 Cw = 0,03 1 = 5 Ca = 1,6 Cw = 0,035 i = 7Q Ca = 2;00 Cw = 0,04 i = 10 Ca = 2,7 Cw = 0,1 i = I69 Ca = 3,3 Cw = 0,25 i = 222 Cà = 3,6 Cw = 0,35 i = 25 Ca = 3,8 Cw = 0,40 Les résultats hydrauliques du profil 5 sont obtenus par extrapolation des résultats des laboratoires aéronautiques. Le profil 5 a un volet braqué à 402. Toutefois dans une majorité de cas il est conseillé d'utiliser le profil à fentes multiples qui conduit à des coefficients de portance hydraulique nettement plus élevés. En extrapolation des résultats aérodynamiques il semble possible de coefficients de portance hydraulique de l'ordre de 4,5 ce qui conduit à des gains de rendement inégalés. En profil courant l'incidence varie de IOo à 302.En profil à fentes multiples l'incidence peut être supérieure à 400. Le choix de l'incidence pour obtenir la résultante hydraulique maximum est déterminée par le constructeur. Ces valeurs indiquées comme tous les résultats en mécanique ne constituent pas une référence rigoureuse. L'application de ce procédé est généralisé aux turbines Francis,Kaplan,turbines-hélices et autres types ,dans la mesure où nous avons des profils sousmis aux lois dthydrau- -lique fondamentale. La definition de la puissance de chute efficace est donnée par Pe = Q . W . He avec Q débit de l'écoulement W masse spécifique He hauteur de chute efficace Pe puissance effectivement developpée Les pertes de charges sont définies par W . Q . V2/ 2g avec V vitesse réelle de sortie de l'écoulement au bord de fuite de l'aubage,tel que V = ? avec W vitesse de sortie de l'écoulement U vitesse locale de la turbine V vitesse résultante réelle de l'écoulement Le procédé peut utilisable pour turbine à act ion, au lieu des turbines Pelton à hémisphére creux travaillant en trainée.Dans ce cas V = (2g . H où H est la hauteur de chute efficace,l'énergie est ,dans ce cas totalement cinétique. Le procédé est naturellement utilisable en turbines à réaction où V est inférieur à ( 2g . H )0'5 la vitesse est réduite mais le liquide est sous pression. Cependant il est nécessaire de rappeller que dans la formule R = u . a . S . V2/2g ; a est la masse spécifique W la section est au premier degré,(sans incidence) V la vitesse est au second degré c'est à dire qu'aux pertes de charge près une réduction de section de 50%, amène à débit constant une vitesse double et un effort dynamique doublé. Dans les turbines à réaction l'action de la vitesse est définie par V / 2G et l'action de pression par H - V / 2G avec H hauteur de chute efficace V vitesse de ltécoulement G la gravité L'application peut être généralisée aux turbines utilisant d'autres fluides que l'énergie aquatique,ainsi qu'aux métaux en fusion par exemple le Sodium liquide. APPLICATIONS INDUSTRIELLES Le procédé généralisé répond à la formule générale R = Cr . a/2g . S . V2. cosinus A .cosinus B avec R en Newtons par ailette ou aube Cr coefficient résultant de Cz et Cx en aéronautique et fluides compressibles,et de Ca et Cw en fluide incompressible a masse spécifique du fluide en kilogrammes par metre cube g I metre seconde par seconde S airede l'ailette en metre carré V en metre par seconde prise à 76,7% de lailette à partir de l'axe A angle de la résultant & avec une tangente dans le plan de la turbine B angle de la résultante avec un plan tangent à la turbine En pratique étant donné les variations d'incidence,de masse spécifique du fluide,de corde de profil et de vitesse nous étudions l'ailette ou l'aube par millimètre de longueur et la force active par ailette ou par aube sera representée par l'aire soustendue par une courbe analogue à celles indiquées par la figure IO. Le procédé défini autorise l'application généralisée à toutes les turbines à gaz,à vapeur,hydraulique,pour production d'énergie,compresseurs@axiaux et ventilateurs,soufflantes et étages de turbine en aéronautique.Il est caractérisé par l'accroissement essentiellement des coefficients de portance des des coefficients de trainée d'ou un coefficient résultant aérodynamique ou hydraulique plus élevé. En aérodynamique dans le cas favorable du profil à fentes multiples le coefficient de portance maximum atteint 3,2 pour un coefficient de trainée de l'ordre de 0,9 soit un coefficient résultant de 3,32;alors qu'un profil classique donnant de bonnes caractéristiques permet un coefficient de portance de I,36 pour un coefficient de trainée de 0,22 soit un coefficient résultant de 1,38. L'avantage de ce procédé est outre la croissance de la portance qui peut être accrue de 170%,l'augmentation de la trainée qui peut être quadruplée en conservant une portance très élevée soit un effet résultant très favorable et un couple actif sur arbre pouvant être augmenté de I40% en prenant paur base initiale un profil favorable.Des résultats plus spectaculaires peuvent être obtenus. En hydraulique des résultats analogues sont déterminés avec des profils semblables.Deus des applications sont définies dans les Figures 9 et 4 de l'Abrégé en turbine Francis et en turbine-hélice.Nous aurons soin dans tous les cas d'orienter l'aubage afin qu'il produise le couple réel maximum et la vexe afin qu'elle attaque le profil sous l'incidence optimale. Nous apercevons la portée de ce procédé sur la seule production d'énergie électrique,utilisant essentiellement des turbines à vapeur à partir de chaudiéres thermiques à fuel,houille ou lignite et des turbines hydrauliques en zone à dénivellé élevé.Le coût du kilowatt-heure peut être réduit à la production de près de 60%.Toutes les installations existantes peuvent être modifiées par simple changement des turbines et des alternateurs en conservant l'infracstructure existante.Le coût en investissement est réduit d'environ 50% par kilowatt installé,par rapport au procédé classique. L'incidence de ce procédé est telle qu'il permet d'assurer la production d'énergie électrique de 300 milliards de kilowatts-heure,soit la production estimée de I980,par simple mutation des sites hydrauliques et des centrales thermiques installées en 1970. En aéronautique le bilan est beaucoup moins favorable mais l'utilisation sur les soufflantes et les aubages de turbine pour ltentrainement des soufflantes et compresseurs à simple ou étages multiples peut permettre un gain de consommation de kérosène par réduction des trainées de karénage.De plus en double flux la croissance de la trainée des profils de la soufflante est compensée par la capacité d'entrainement des étages de turbine sousmis à un flux chaud de débit équivalent.Nous bénéficions alors d'une capacité de la poussée de la soufflante accrue jusqu'à 140%,soit une densité de puissance flux chaud plus fluz fràid au minimum doublée.La consommation spécifique par lîlogramme de poussée/heure est réduite d'au moins 0%.L'încidence de cette percée permet de réduire les frais d'exploitation des appareils aéronautiques subsoniques ou légèrement supersonique de plus de 40%.Cet effet de compensation de trainée est également généralisé aux turbopropulseurs dont la capacité d'entraînement des étages de la turbine permet d'absorber la trainée supplémem- -taire de leur hélice tractrice elle-meme équipée de fentes et de volets.Ces fentes et ces volets assurent naturellement une capacité de traction accrue d'environ I40 soit des frais d'exploitation réduits dans le même rapport qu'en turboréacteurs.Cette invention permettra d'assurer la croissance inexorable des états développés. REVENDICATIONS I)Procédé d'exploitation essentiellement en turbines et partiellement en mécanique des fluides sauf l'aéronautique, des profils avec volets de bord d'attaque,sans Bente,ou avec une ou plusieurs fentes,avec braquage ou non,caractér- -sés par le fait qu'ils se composent d'un "bec" de corde de profil relativement réduité,et par rapport à l'écoulement d'une incidence variable ou fixe,habituellement plus faible que les profils auxquels ils sont intégrés. 2)Procédé d'exploitation essentiellement en turbines et partiellement en mécanique des fluides sauf l'aéronautique des profils avec volets de bord de fuite,sans fente,ou avec une ou plusieurs fentescaractérisés par le fait qu'ils sont situés en aval du proffl principal et qu'ils peuvent être soumis à un braquage fixe ou mobile. 3)Procédé d'exploitation essentiellement en turbines et partiellement en mécanique des fluides- -sauf l'aéronautique des profils dits à fentes multiples caract-érisés par le fait qu'ils se composent d'éléments successifs de corde de profil constante ou variable,d'une épaisseur relative constante on différentiée,et sont sousmis par rapport à l'écoulement à une incidence fixe,ou une variation dtincidence croissante ou décroissante. 4)Procédé d'exploitation suivant les revendications I,ou 2 ou ),caractérisé par l'exploitation généralisée aux turbines hydrauliques,quel que soit le type utilisé,à axe vertical horizontal ou oblique, faible ou haut régime de rotation, à incidence fixe ou variable,quel que soit le fluide dit incompressible utilisé,que les profils soient radiaux ou sécants ,la seule caractéristique technique essentielle étant la substitution de ces profils à dispositifs hypersistenta- -teurs,aux profils classiques,l'incidence étant optimise ounon le long de 1' "envergure" suivant les polaires spéc- -fiques. 5)Procédé suivant les revendications 1,ou 2,ou 3,caractérisé par l'application généralisée aux turbines à vapeur et à gaz quel que soit le type utilisé,quel que soit le fluide comptes -@ible utilisé,qu'elles soient à production d'énergie électri -que ou non,avec ou sans aubages de distribution,? simple sens ou à double sens de rotation,à simple ou à plusieurs corps,à une ou plusieurs vitesses de rotation,que chaque profil soit attaqué par une ou plusieurs tuyères,la seule caracteristique technique essentielle étant la substitution de ces profils élaborés aux profils classiques sans hyper -sustentat inn. 6)Procédé suivant les revendications 1,ou 2,ou 3,caractéri@é par l'application aux étages de souffla@tes et aux étages dits de turbines des turboréacteurs et des turbopropulseurs, les profils définis dans cette étude étant substitués inté- -gralement ou partiellement aux profils classiques habituels. 7)Procédé suivant les revendications I,ou 2,ou 3, caractérisé par son application aux hélices,ventilateurs carénés ou non, qu'ils soient de traction,de poussée ou de ventilation,à usage ind@striel ou domestique,quel que soit le nombre de pales le nombre d'étageswque l'incidence soit fixe ou variable, caractérisé par l'exploitation en milieu nautique,marin,et le milieu fluide incompressible en général. 8)Procédé suivant les revendications 1,ou 2,ou 3,caractérisé par son application aux hélices,ventilateurs carénés ou non, et les pales d'hélicoptères,qu'ils soient de traction,de pous@e,de ventilation ou de sustentation,en fluide compressible air et gaz par exemple,quel que soit le nombre de pales., le nombre d'étages et le nombre de rotors,que l'incidence soit fixe ou variable. 9)Procédé suivant les revendications 1,ou 2,ou 3,caractérisé par son application# aux pompes,tous tynes,en usage en liqui des et en fluides incompressibles en général,quel que soit les caractéristiques mécaniques de ces pompes. 10)Procédé suivant les revendications 1,ou 2,ou 3,caractérisé par son exnloitation aux voilures et profils à usage exclusi- -vement marin et nautique,caractérisé par son exploitation en profil contribuant à la portance d'un navire ou d'un véhicule mixte(terrestre et maritime),quel que soit son tonnage.