Brevet FR2278565A1 — publié le 19760213

La présente invention concerne des dispositifs à pales mobiles dans un fluide. Si de tels dispositifs sont actionnées par une source d'énergie, ils peuvent servir à la propulsion de véhicules et remplacer les roues à aubes ou les hélices des bateaux, des avions ou des hélicoptères. Inversement, ces dispositifs peuvent être actionnés par un courant de fluide et remplacer une roue de moulin à eau ou une éolienne usuelle. Les propulseurs de l'invention sont inspirés des mouvements des animaux aquatiques qui ont été étudiés du point de vue cinématique et énergétique par Lighthill dans l'article "Aquatic Animal Propulsion of High Hydrodynamical Efficiency", Journal of Fluid Mechanics, 1970 Vol. 44, part. 2, pages 265-301.Suivant cet article, les mouvements des animaux aquatiques qui leur assurent une bonne propulsion se classerait en deux types a) le mouvement de nageoire caudale qui est un mouvement de godille d'une paroi souple en contact avec 11 eau sur ses deux faces et parcourue par une onde progressive vers l'arrière b) l'ondulation en forme d'onde progressive de la peau de l'animal aquatique; c'est un mouvement du même type que le précédent mais une seule face de la paroi souple est en contact avec l'eau. Le propulseur de l'invention est inspiré par le premier type de mouvement susvisé; il comprend essentiellement, à bord d'un véhicule aquatique ou aérien, une pale souple, douée d'élasticité à la flexion comme une nageoire caudale d'animal marin ou une palme de nageur, et des moyens de maintenir le bord d'attaque de cette pale dans un plan tangent au profil d'une onde progressive transversale dans un milieu fluide relativement à un repère lié au véhicule. La pale étant souple et son bord d'attaque suivant le profil de l'onde progressive, la surface de lapale épouse la surface de l'onde progressive. L'invention va Outre maintenant décrite en détail d'après deux exemples de réalisation dans lesquels le profil de l'onde progressive, c'est-à-dire la trajectoire suivie par le bord d'attaque de la pale souple, est respectivement une sinusoïde et une cycloïde.La description est faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est un schéma géométrique montrant les mouvements relatif et absolu dela pale dans le cas dune onde progressive sinusoidale - la Fig. 2 est un schéma géométrique montrant les mouvements relatif et absolu de la pale dans le cas d'une onde progressive cycloïdale - la Fig. 3 représente en perspective un moteur hydraulique à mouvement sinusoïdal t et - la Fig. 4 représente en perspective un dispositif de propulsion à mouvement cycloïdal. En se référant d'abord à la Fig. 1, A désigne un véhicule aquatique animé d'un mouvement de translation horizontale uniforme de vitesse v par rapport à l'eau supposée immobile. Ce véhicule porte une pale P en mouvement relatif cyclique par rapport à lui et plongée dans l'eau. Cette pale a un bord d'attaque M dont la trajectoire relative par rapport au véhicule est une droite D perpendiculaire à la direction du mouvement du véhicule et la trajectoire absolue est une sinusoïde S, En désignant par A1' A2, A3 trois positions du vehicule, par M1, M2, M3 les positions correspondantes du bord d'attaque de la pale, on voit que si la pale est maintenue tangente à la trajectoire absolue S, c1est-à-dire si son bord d'attaque est dirigé suivant M1 T1 en M1, M2 T2 en M2, M3 T3 en M3, elle ne présentera aucune résistance au mouvement autre que de frottement. Si on suppose maintenant que la vitesse du véhicule est v'v, la pale P exercera sur le fluide une force ayant en moyenne une composante horizontale en sens inverse de la vitesse d'entraînement. La réaction du fluide sur le véhicule sera dans le sens du mouvement de ce dernier et tendra à rapprocher v' de v. Dans la Fig. 2 la trajectoire relative est un cercle C et la trajectoire absolue est me cyclolde Cy. Pour le reste les numéros de référence ont les mêmes significations que dans la Fig. 1. On va maintenant rechercher les conditions de contact de la pale à la trajectoire absolue. A - Onde progressive sinusoIdale. Soient X = Xo Y = a cos (W t + # ) les équations du mouvement sinusoNtdal à trajectoire rectiligne du point M de coordonnées relatives (X,Y) et x = vt + X y = y les équations du mouvement absolu à trajectoire sinusoIdale du point M de coordonnées absolues (x,y). On considère un autre point M' sur la pale de coordonnées relatives (X',Y') et de coordonnées absolues (x',y').Ce point M' est animé d'un mouvement rectiligne sinusoïdal relatif X' = X y = f'(t) et d'un mouvement absolu x - vt + Xi y' = f'(t) En écrivant que la pale, c'est-à-dire la droite MM, est tangente à la sinusoïde S on trouve pour f'(t) : et en posant : X1 - Xo = b on obtient f'(t) = a' cos (#t - #') Il en résulte que l'on peut maintenir la pale tangente à l'onde progressive en animant son bord d'attaque et un point de la pale de mouvements reetilignes sinusoïdaux respectifs dont les amplitudes et les phases sont reliées par les relations (1) et (2). Au lieu d'appliquer deux mouvements sinusoïdaux au bord d'at- taque et en un point de la pale, on peut appliquer lesdits mouvements sinusoïdaux en deux points M' et M" de celle-ci, par exemple en deux points symétriques par rapport au bord d'attaque. Les mouvements absolus des deux points sont =' = vt - d/2 n" = vt + d/2 y' = a' cos (#t + #') y" = f" (t) En écrivant que la pale, c'est-à-dire la droite M'M", est tangente à la sinusolde S on trouve pour f"(t) : f"(t) = a"cos (#t en posant (3) Il en résulte que l'on peut maintenir la pale tangente à l'onde progressive en animant deux points de la pale de mouvements rectilignes sinusoïdaux dont les amplitudes et les phases sort reliées entre elles.Dans le cas où les deux points de la pale sont symétriques par rapport au bord d'attaque (la pale est alors prolongée par un cadre vide au delà de son bord d'attaque pour permettre la liaison en porte à faux du point M") les relations dtamplitude et de phase sont les relations (3) et (4). B - Onde progressive cycloïdale. Soient X n r cos #t Y = r sin #t les équations du mouvement relatif à trajectoire circulaire du point M de coordonnées relatives (X,Y) et x = vt + X y = y les équations du mouvement absolu à trajectoire cycloïdale du point M de coordonnées absolues (x,y). On considère un autre point M' sur la pale de coordonnées relatives (X',Y') et de coordonnées absolues (x',y'). Ce point M' est animé d'un mouvement circulaire relatif X' = p + r' cos (#t + &alpha;') Y' = r' sin (a?t + et d'un mouvement absolu x' = vt + X' y' = Y' En écrivant que la pale, c'est-à-dire la droite MM', est tangente à la cycloïde Cy on trouve entre les paramètres r, r', p, &alpha;' les relations : (5) r' cos &alpha;' -r = 0 vr' (6) p = sin &alpha;' #r Il en résulte que l'on peut maintenir la pale tangente à l'onde progressive cycloïdale en animant son bord d'attaque et un point de la pale de mouvements circulaires uniformes dont les rayons et les phases sont reliés par les relations (5) et (6). Si le rayon r du mouvement circulaire du bord d'attaque est donné ainsi que l'écartement p des centres des deux cercles, les relations (5) et (6) déterminent le rayon r' du mouvement circulaire du point de la pale distinct du bord d'attaque et le déphasage &alpha;' de ce mouvement. Au lieu d'appliquer deux mouvements circulaires au bord d'attaque et en un point de la pale, on peut appliquer lesdits mouvements circulaires en deux points M' et M" de celle-ci, par exemple en deux points symétriques par rapport au bord d'attaque. Les mouvements absolus des deux points sont p p = = vt 4 2 4 r cos(#t+&alpha;) x" = vt - 2 + r cos (#t + &alpha;") y' = r' sin (#t + &alpha;') y" = r" sin (#t + &alpha;") En écrivant que la pale, c'est-à-dire la droite M'M", est tangente à la cycloïde Cy, on trouve entre les paramètres r, r', r", p, &alpha;', &alpha;" (en prenant pour origine des phases celle du mouvement du bord d'attaue) les relations :: (7) r = r'cos &alpha;' = r"cos &alpha;" vr' vr" (8) p = - sin &alpha;' = - sin &alpha;" #r #r Il en résulte que l'on peut maintenir la pale tangente à l'onde progressive cycloïdale en animant deux points de la pale de mouvements circulaires uniformes dont les rayons et les phases sont reliés entre eux. Dans le cas où les deux points de la pale sont symétriques par rapport au bord d'attaque (la pale est alors prolongée par un cadre vide au delà de son bord d'attaque pour permettre la liaison en porte à faux du point (M") les relations de rayon et de phase sont les relations (7) et (8). 10 On a représenté sur la Fig. 3, un moteur hydraulique 10 alimenté par l'eau d'un canal. Ce canal est limité par les deux parois 11 et 11'.Sur ces parois est monté un bâti 12 comprenant deux montants amont 13 et 13' reliés par une traverse 14 et deux montants aval 15 et 15' reliés par une traverse 16. Deux arbres 17 et 18 portant chacun une manivelle, respectivement 19 et 20, sont montés parallèlement sur les traverses 14 et 16. L'arbre 17 tourne dans des paliers fixes par rapport aux traverses et l'arbre 18 tourne dans des paliers qui peuvent coulisser dans des trous allongés 21 et 22 ménagés dans l'épaisseur des traverses. Des ressorts dont un seul 23 est vu sur la Fig. 3 tendent à rapprocher les arbres 17 et 18 en les maintenant parallèles. Les manivelles 19 et 20 coopèrent avec des bielles 24 et 25 elles-mêmes articulées sur des tiges de commande 27 et 28. Ces tiges de commande coulissent dans des cylindres-guides 26 et 29 portés par une plaque 30 fixée aux parois 11 et 11, du canal, Les tiges 27 et 28 sont articulées respectivement aux cotés avant et arrière d'un cadre coulissant 31. Ce cadre comprend un c8té avant formé d'une barre 32 repliée vers l'arrière à angle droit à ses deux extrémités 33 et 34, un coté arrière formé d'une barre 35 repliée vers l'avant à angle droit à ses deux extrémités 36 et 37 et une traverse 38. Les côtés latéraux du cadre sont formés respectivement des barres 33 et 36, et 34 et 37 coulissant l'une dans l'autre.La traverse 38 passe dans un trou 39 ménagé le long du bord d'attaque 40 de la pale souple 41.' Le côté arrière 35 passe dans un trou ovalisé 42 ménagé dans l'intérieur de la pale et le côté avant du cadre reste nu à l'avant de la pale. On voit que le-montage de la pale par rapport aux tiges de commande tient compte de la arariation de distance entre les points d'attache des tiges sur la pale au cours d'un cycle du mouvement de cette dernière. Les arbres 17 et 18 portent le premier des roues à chatne 43 et 44 et le second des roues à channe 45 et 46. Les roues 43 et 45 sont reliées par une channe Galle 47 tendue par un galet tendeur 48 et de môme les roues 44 et 46 sont reliées par une channe Galle 49 tendue par un galet tendeur 50. En fonctionnement, on voit que le mouvement de godille de la pale 31 applique un mouvement alternatif aux tiges 26 et 27. L'é- cart D entre les arbres 17 et 18 détermine les amplitudes a' et a" des tiges 27 et 28 et les déphasages -+ yg des mouvements des tiges par rapport au mouvement du bord d'attaque.Si les longueurs des bielles 24 et 23 sont # , , les rayons des manivelles 19 et 20, R, les amplitudes at et a" sont : et en considérant D/2 comme un infiniment petit et en prenant et les phases # t et On voit que le paramètre angulaire D/2 joue le rôle du paramè- tre xd/2v tant qu'il reste assez petit pour qu'on puisse confondre son sinus avec sa tangente. En se référant maintenant à la Fig. 4 qui représente un propulseur à onde progressive cycloidale, deux flasques parallèles 51 et 52 convenablement entretoisés servent de supports aux paliers 53,54 et 531 54' respectivement, dans lesquels tounent les arbres 55 et 56. Ces arbres portent respectivement des roues à chaîne 57 et 58 reliées par une chaîne Galle 59 qui est tendue par un galet tendeur 60. Ce galet tendeur 60 est porté par un bras 61 qui peut tourner par rapport au bâti et est sollicité dans le sens de la tension de la channe par un ressort 62. L'arbre 56 porte aussi une seconde roue à channe 63 entraînée par un pédalier 64 et une chaine 65, la channe étant tendue par un dispositif de tension 66. Les paliers 53, 53' sont fixes et les paliers 54, 54' peuvent coulisser dans des fentes parallèles 67 et 68 ménagées dans les flasques 51 et 52. La distance des arbres 55 et 56 est réglée au moyen de deux pantographes parallèles dont un seul est vu sur la Fig. 4. Ce pantographe comprend une barre 69 articulée à l'une de ses extrémités sur le palier 53, une barre 70 articulée à l'une de ses extrémités sur la barre 69, en son milieu sur le palier 54 et à son autre extrémité sur une plaque 71 encastrée dans le bâti, Cette plaque appartient à la fois au pantographe représenté et au pantographe non représenté. Deux ressorts 72 et 721 tirent au repos sur les paliers 53 et 53' dans le sens qui tend à raccourcir les pantographes, c'est- àzdire à rapprocher les arbres 55 et 56. En fonctionnement, quand le pédalier tourne, la chaîne 65 tend à allonger le ressort 72 et à écarter les arbres 55 et 56. Si les paliers 54 et 54t étaient fixas, le dispositif serait réglé une fois pour toutes; la disposition décrite, c'est-à-dire le fait coutils soient coulissants et retenus par les ressorts 72 et 72' constitue un "changement de vitesse automatique" adaptant l'effort moteur à la vitesse du véhicule en réglant l'inclinaison des pales. Chacun des arbres 55 et 56 porte, extérieurement aux flasques, cieux manivelles respectivement 73 et 731,74 et 741 que l'on suppose toutes dc même longueur. Aux extrémités des manivelles 73 et 74 (et 73' et 74t) sont montés des pantographes formés par les bielles 75, 76, 77 et 78 (75',76', 77', 78').Les articulations des bielles 77 et78 et 77' et 78' portent des arbres extérieurs 79 et 791 qui traversent les bords d'attaque des nales 80 et 801. De mime, les articulations des bielle 74 et 76 et 74' et 761 portent des arbres extérieurs 81 et 811 qui traversent respectivement des trous ovalisés pratiqués dans les pales 80 et 80' pour tenir compte de la variation de la distance entre les arbres 79 et 81 (ou 79' et 81') au cours de la rotation des manivelles. Les articulations des bielles 73 et 75 et 73' et 75t peuvent également mais non nécessairement porter des arbres extéri@urs 82 et 82' qui constituent les côtés avant des cadres 83 et 83' identiques au cadre coulissant de la Fig. 3. Bien que l'invention ait été décrite d'après deux exemples de réalisation seulement, il reste entendu aue de nombreuses variantes sont possibles oui résultent suffisamment pour l'homme de l'art des exemples décrits pour qu'il ne soit pas nécessaire d'en donner une description complète. il suffit de rappeler que les mouvements de commande de la pale souple qui sont des mouvements de même loi en fonction du temps mais déphasés peuvent lui hêtre appliqués, soit au bord d'attaque et en un autre point, soit en deux points symétriques ou non par rapport au bord d'attaque. Dans le cas de la Fig. 4 par exemple, un des trois arbres 79, 81 ou 82 est inutile. D'autre part, si, dans la Fig. 4, les pales ont été mises à l'extérieur des flasques, dest pour laisser le passage de la chaîne d'entratoeient du mécanisme. Mais bien entendu les pales pourraient être intérieures à l'intervalle entre flasques en cas d' entranement par un moteur à conibustion ou électrique. La fixation du dispositif sur le véhicule aquatique dans le cas d'un propulseur est faite de façon que la direction de propagation de la surface d'onde réglée décrite par la pale soit horizontale. Dans le cas du dispositif de la Fig. 3 supposé utilisé comme propulseur, cette direction de propagation est une droite passant par le plan des tiges 27 et 28 et perpendiculaire à ces tiges. Dans le cas du dispositif de la Fig. 4, cette direction de propagation est une droite passant nar le plan des arbres 55 et 56 et perpendiculaire à ces arbres. Si l'on veut déjauger le véhicule, il suffira de fixer le propulseur au véhicule de façon eue cet fie dirr--ction de propagation fasse avec l'horizontale une pente ascendante. REVEND I C A T 10 NS 1 - Dispositif propulseur pour véhicule destiné à se promouvoir dans un fluide, comprenant une pale souple plate et des moyens pour appliquer en deux points de ladite pale des mouvements dont les composantes suivant une direction faisant un angle prédéterminé avec la direction de marche dudit véhicule sont des mouvements périodiques en fonction du temps déphasés l'un par rapport à l'autre et d'amplitudes déterMinées en fonction de la vitesse du véhicule, la pale faisant un angle minimum avec la demi tangente arrière à la trajectoire absolue de son bord d'attaque. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux points de la pale souple auxquels sont appliqués les mouvements sont, l'un sensiblement le bord d'attaque de la pale,et l'autre un point quelconque de celle-ci. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux points de la pale souple auxquels sont appliqués les mouvements sont deux points quelconque de la pale distincts du bord d'attaque. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux points de la pale souple auxquels sont appliqués les mouvements sont deux points symétriques par rapport au bord d'attaque de la pale. 5 - Dispositif propulseur pour véhicule destiné è se promouvoir dans un fluide conforme à la revendication 1, dans lequel les mouvements appliqués en deux points de la pale sont deux mouvements rectilignes simisoldaux en fonction du temps, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer en deux points de la pale des mouvements rectilienes sinusoidaur comprennent deux arbres parallèles portant chacun une manivelle, des bielles articulées sur lesdites manivelles, des tiges de commande parallèles et espacées dans le sens du mouvement du véhicule, des moyens de fixation desdites tiges à la pale, et des moyens pour faire varier la distance entre les arbres parallèles et sinnlta"4TP^t le déphasage entre leurs rotations. 6 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les mouvements appliqués en deux points de la pale sont deux mouvements circulaires synchrones et déphasés l'un par rapport à l'autre. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer en deux points de la pale des mouvements circulaires uniformes comprennent deux arbres parallèles, des manivelles montées sur ces arbres, des moyens de fixation des extrémités des manivelles à la pale et des moyens pour faire varier la distance entre les arbres parallèles et simultanément le déphasage entre leurs rotations. 8 - Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer en deux points de la pale des mouvements circulaires uniformes comprennent un pantographe articulé sur les extrémités des manivelles et ayant une articulation maintenue au milieu de la distance entre ces deux extrémités et des moyens de fixation à la pale de l'extrémité d'une manivelle et dudit point milieu du pantographe. 9 --Moteur hydraulique caractérisé en ce qu'il comprend un propulseur défini par l'une quelconque des revendications 1 à 8 dont la pale est actionnée par un courant hydraulique. 10 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation au véhicule de façon que les composantes des mouvements périodiques appliqués à la pale aient une direction perpendiculaire à la direction de marche du véhicule. 11 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation au véhicule à orientation réglable de façon que les composantes des mouvements périodiques appliqués à la pale aient une direction oblique par rapport à la direction de marche du véhicule. t2 - Dispositif sustentateur et propulseur destiné à se promouvoir dans un fluide conforme à l'une quelconque des revendications 1, 6, 7 ou 8, où le fluide est constitué par l'air. 13 - Moteur éolien constitué par un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, mais fonctionnant en moteur, les pales étant actionnées par le vent.