Brevet FR2516605A1 — publié le 19830520

MOTEUR A COURANT DE FLUIDE PRINCIPE : Il s'agit de transformer l'énergie du courant en énergie propulsive, orientable dans toutes les directions, indépendamment de la direction du courant. DESCRIPTION : L'objet du reveut est composé de trois systèmes reliés l'un à l'autre 1 ) UN CAPTEUR DE L'ENERGIE DU COURANT Ce capteur est basé sur le principe de la portance développée a partir d'un plan incliné placé dans un fluide par rapport auquel il est en déplacement. C'est une hélice - dont la surface projetée des pales est égale à la surface décrite, de façon à obtenir un encombrement minimum ; - dont le nombre de pales est importent, de façon obtenir un rapport longueur sur largeur, permettant un bon rendement - dont l'incidence des pales par rapport à la direction du courant, augmentant du moyeu vers l'extrémité, est de 230 au-cent: de poussée de la pale, au repos, incidence donnant le meilleur rappo: portance sur traînes. Cette incidence est équilibrée par un ressort dont la tare est égale à la trainée de telle sorte que l'angle reste de 230 par rapport au vent apparent résultant du vent réel et du déplacement de la pale lorsque l'hélice tourne. Le capteur est articulé sur un axe vertical, et est maintenu constamment perpendiculaire au courant par un plan fixe au bout d'un axe perpendiculaire au plan de rotation du capteur. 20) U MOTEUR Il est basé sur le mème principe que le capteur, et étudié selon -les mimes critères de rendement maximum pour un encombrement mini mum. Dans son cas, la portance est recherchée parallèlement à l'axe de rotation, et l'angle d'incidence est mesuré par rapport au plan frontal de rotation. C'est une hélice - dont la surface projetée des pales est égale à la surface décrite - dont le nombre de pales est important, pour les mimes raisons que pour le capteur - dont l'angle d'incidence des pales, diminuant du moyeuvers l'extrêmité est de 230 par courant nul, pour obtenir le meilleur rapport portance sur trainée, au centre de poussée des pales. Cet angle est variable, et écuilibré@ par un ressort de telle sorte ou'il reste de 230 par rapport à la direction résultante de la vitesse de la pale et de celle du courant, la tare du ressort étant la trainée de la pale, ui reste ainsi constante. L'hélice du moteur tourne dans le meme' plan que le capteur auquel elle est reliée par un bati rigide. Elle est entraînée par le capteur à l'aide d'un système de transmission oui lui communl:ue la vitesse nécessaire pour la puissance voulue, avc le rapport de multiplication adapté. Le fluide qu'elle rejette est canalisé pour en améliorer le rendement. 30) UN SYSTEME DIRECTEUR le fluide projeté par la tnrbine est canalisé dans-deux coudes super posés et articulés de façon à pouvoir pivoter tous deux autour d'un même axe vertical. Le système Capteur-Turbine pivote autour de cet axe, guide par une girouette oui le maintient face au courant apparent. Le jet obtenu à la sortie du coude inférieur peut être dirigé à volonté dans toute direction quelle que soit l'orientation du système turbine-capteur. CALCULS ET CHIFFRES La portance développée à partir d'un plan incliné dans un fluide en déplacement répond à la formule générale des plans porteurs P en Newtion = #Cp V2 S dans laquelle p est la masse voluminique du fluide. Pour l'air = 0,8 Cp un coefficient de portance, ici 1,5 S la surface du plan porteur, en m2 V-la vitesse relative du plan et du fluide, en m/s Pour des commodités de calcul, en mesurant P en Kg, on obtient P = 0,061 V2 S-dans l'air. 10) Voile de 10 m2 - Vent de 10 m/s Poussée F - égale à la portance P = 0,061 X 102X X 10 F = 61 Kg 20) Capteur de 10 m2 de surface utile - Vent de 10 m/s Hélice de 20 pales - de 1,35 m à partir d'un moyeu de diametr =lm - surface totale S = 20 m2 - centre de poussée des pales à l'axe = 1,35 m = R - incidence au centre de poussée I = 230 puissance F est ici la portance rapportée a l'axe F = P X R = 0,061 . 102 . 1,55 F = 82,35 Kg Vitesse linéaire des pales. mesurée au centre de poussée : Vl = V vent .TgI = 10 m/s # Tg 23 Vl = 4,23 m/s Vitesse de rotation-: La vitesse de rotation = Vl/2#R = 4,23/8,47 Vr = 0,5 tours/dec. Vr = 30 tours/minute rainée : La trainée est ici la résistance opposée au vent par les pales, sans contrepartie propulsive, elle est parallèle a l'axe de rotation. T = # # Ct # V2 # S Ct est un coefficient de trainée, il est ici égal à 0.375 = 230 sine 0,391 # 0,8 # 0,375 # 102 # 10 T # 150 Newtons T = 15,29 Kg 3 ) Moteur Hélice de 20 pales - diamètre total = 1 m - diamètre moyeu =) 0,20 - surface totale des pales S = 0,75 m2 - centre de poussée à 0,36 ae l'axe r = 0,36 - circonférence de rotation du centre de poussée C = 2,26 - angle d'incidence par vent nul i = 23 ) a) moteur dans un fluide immobile Le moteur recevra du capteur une énergie Fm = F capteur X 0,92 = 76 Kg = 745,56 Newtons Fm = 745,56 Newtons Cette énergie est utilisée pour fournir la puissance P, et pour vaincre la trainée des pales T. Fm = P + T P = # Cp # S # Fm = P + T P + 1/2 . Cp . S . V La trainée '* s'oppose ici à la rotation des pales ; elle est perpendiculaire à l'axe, et s'oppose au centre de poussée des pales à une distance r de l'axe. T + ## Ct . r . S . Fm = ## Cp S V2 + 1/2 Ct r S V1 = # q S V2# (Cp = (Ct.r)) = 0,4g V2= = 745,56 La vitesse linéaire des pales au centre de poussée : Vl = 39 m/s La vitesse de rotation Vr = Vl/2#r = 39/2,26 Vr = 17,25 tours/sec. = 1035 tours/min. La vitesse de l'air à la sortie V air = VI. Tg i = 39 X 0,424 V air = 16,53 m/s Le pas Pa = 2#r # T g i Pa = 0,95 Le rapport de multiplication par rapport au capteur R M = 1035/30 R M = 34,5 La puissance délivée r = 1/2 0,8 . 1,5 . 0,75 . 39 . 39 P = 684,45 Newtons = 69,77 Kg La trainée T = # 0,8 # 0,375 . 0,36 . 0,75 . 39 . 39 T = 61,60 Newtons = 6,27 Kg b) Dans un vent de 10 m/s L'angle d'incidence des pales étant équilibré pour une trainée 2 = 6,2' la poussée et la vitesse des pales ne variant pas, la vitesse de l'air à la sortie devient V' air = V air + V vent = 16,53 + 10 = 26,53 m/s l'incidence i' devient telle que T@ i' = V' air/Vl = 26,53/39 Tg i' = 0,680 i' = 34 30 4 ) Système directeur En canalisant l'air éjecté par la turbine dans une canalisation de section S égale à celle des pales, soit O,75 m2, on obtient un jet d'air dont l'énergie répond à la formule E = 1/2 m V2 m est la masse d'air entrainée par l'hélice. Elle est proportionnelle a la surface des pales, au pas, et à la distance parcourue par les pales en 1 seconde. m = # # S # Pa# Vr/ 2 # r = 0,8 . 0,75 . 0,95. 17,25/1,88 m = 5,23 E = 1/2 . 5,23 . 16,53 . 16,53 E = 714,52 Newtons # = 72,83 Kgs La canalisation est constituée par deux coudes de longueur totale 0,78 m et de diamètre = 0,80 Sa surface : Sc = 0,78 X 0,80 X 3,14 Sc = 1,95 m2 La viscosité de l'air entraine une résistance ra = 1 Newton par m2 de surface pour une vitesse de 1 m/s, p@oportionnelle à la vitesse si celleci est inférieure à o,lS ra = 1,95 . 17,3 . = 33,73 Newtons ra = 3,43 Kg 5 ) Rendement du système pour un vent de 10 m2 Un capteur de 10 m2 de surface utile permet d'obtenir à la sortie de la canalisation une puissance P = E = 72,83 - 3,43 = 69,40 Xg Son rendement est supérieur à celui d'une voile classique oui fournit dans les meilleures condition, soit au largue, 61 Kg pour 10 m2. 60) Avantages Poussée : par rapport a une voile classique, le moteur à vent travaille toujours à son rendement maximum, ruelle que soit l'allure. Sa poussée peut s'exercer contre le vent, et permet au bateau de progresser face au vent. Dans ce cas, la trainée du capteur s'oppose à la poussée, mais celle-ci bénéficie de la vitesse prop@ du bateau qui s'ajoute à celle du vent. Au vent arrière, la vitesse du bateau se retranche de celle du vent, mais la trainée du capteur s'ajoute à la trainée. - Dérive : Dans le cas du moteur à vent, la dérive est maxima de l'allure du largue jusqu1au près à 45 ; elle est dans le cas cité en exemple, égale à la trainée, soit 15 Kg. Cette dérive diminue à toutes les autres allures comme le sinus de l'angle du vent et de l'axe transversal du bateau. Dans le cas de la voile classique, la dérive est minimale au vent arrière, atteint au largue la même valeur que le capteur, et augmente rapidement en se rapprochant des allures du près. En reprenant l'exemple précédent Vent de 10 m/s - voile de 10 m2 - capteur de 10 M2 sur un bateau avançant à 3 m/s. Voir tableau suivant. Allure Voile 10 m2 Moteur à vent - capteur = 10 m2 Portance = 69.7@ /10@= 33,81 Vent arrière : V = 10-3 Poussé@ = 0,049 V2S = 0,049.10.72/102 Trainée 15.72/102=7,35 V = 7 m/s P = 24 kg Poussée = Po+T = 33,81 + 7,35 P = 41,16 kg Poussée P = 61 Kg Poussée P = 69 Kg Largue ; V&num;10 m/s Dérive = .0,8.0,375.102X10/9,81 Dérive = Trainée D = 15 Kg D = 15 Kg Portance = 61.12,122/102= 89,6 Près 45 : V = 10+3 sin.45 Portance = 69.12,122/102= 101,3 Kg Trainée = 0,5.0,8.0,375.12,122.10/9.81 V= 12,12 m/s Trainée = 15.12, 122/102= 22 kg T = 22,46 Poussée = Portance = Trainée.sin.45 Poussée = Portance sin. 45 -Tsin(45-23) =101,3 = 15,57 = 8.95.0,707-22,46.0,375 P = 85,73 kg P= 54,92 Kg Dérive = Trainée coe 45 Dérive = Portance.coe 45 D = 15,57 Kg D = 63,34 Kg Vent debout : V = 10+3 Portance = 69.132/102= 116,6 Kg Portance = 0 V= 13 m/s Treinée = 15,132/102=25.35 Kg Trainée &num; 0 Poussée = P - T Poussée = Portance-Trainée = 116,6 - 25,35 P 0 P = 91,25 Kg AUTRK EXEMPLE : Dans un courant d'eau de 5 m/s ( environ 10 noeuds) - Um capteur de diamètre D = 1 m - diamètre du moyen = 0,20 m - surface des pales = 0,75 m2 - rayon du centre de poussée des pales R = 0,3 - recueille sur l'axe une poussée F = #Cp S V2 R. = . 1000 . 1,5 . 0,75 . 5 . 5. 0,35 F = 5062 Newtons = 516 Kgs . entraine une trainée T = # Ct S V2 = 0,5 . 1000 . 0,375 . 0,75 . 5 . 5 T = 3515,6 Newtone = 358 Kgs . vitesse des pales = V l = V. Tg. 23 Vl = 5 . 0,424 V l = 2.12 m/@ . vitesse de rotation Vr = Vl/2#r Vr = 2,12/2 . 3,14 . 0,35 =0,96 tour/sec. Vr = 58 tours/min. - Un moteur : Hélice de - diamètre d = 0,30 m - moyeu de diamètre 0,06 in - surface des pales = 0,0672 m2 - rayon du centre de poussée des pal r = 0,10 - reçoit une énergie E = F moins les pertes par tran@ sion F = E X 92 % = 5062 X 92 % r n 4657 Newtons pour délivrer une puissance P = # Cp V2 S - et vaincre une résistance offert@ par l'eau aux pa T - 1/2/ . Ct . V2. . S . r F = P + T = 4528 N - # V2S . Cp + Ctr Vitesse linéaire des pales au centre de poussée Vl = 9,75 m/s .Vitesse de rotation Vr = Vl/2#r = Vl/2#r = 9,75 / 0,62 Vr = 15,7 tour/sec. = 943,5 T. Min. Rapport de multiplication : R@ = 16,26 . Puissance délivrée : P = @Cp S V 2 = 4541 N P = 462,95 Kg Rendement : Pour 1 m2 de surface de capteur dans 1 m/s de courant P = 462,95 . 1 . 1 . R / 0,75 . 0,36 R = 0,35 . 1 1 0,75 = 0,45 m P = 30,86 n = 3,14 Kg L'équation de la puissance fournie devient : P = 3,14 . S . R . V2 / 0,45 = 6,973R V2 en Kg. La traînée T devient * .T = 558 . 1 . 1 / 0,75 . 25 = 19 N . = 1,93 Kg T = 1,93 S V 2 en Kg R E S U M E Le moteur à courant de fluide, objet du brevet, transforme l'énergie du courant, quelle nue soit sa direction, en énergie propulsive utili- sable dans toute direction voulue. Il capte toujours cette énergie avec sa surface maxima, et la restitue avec le même rendement. La trainée du capteur : - s'ajoute à la poussée dans le cas d'un déplacement dans le sens du courant ; - s'oppose a la poussée dans le cas d'un déplacement face au courant, mais la poussée bénéficie alors del'accroissement de la vitesse relative. - constitue la force de dérive dans le cas d'u déplacement faisant un angle avec la direction du courant. La for de dérive est maxima du largue @usqu'au près à 45 du courant, et équivaut à la force de dérive d'un plan porteur à so@ meilleur rapport portance sur trainée, c'est-à-dire au largue. Elle diminue à toutes les autres allures, alors que, pour une voi: classique par exemple, elle augmente très rapidement pour obtenir @on maximum à 450 du lit du courant d'air. A P P L I C A T I O N S N01 - Propulsion d'un bateau par le sent: - Le choix de la direction n'est plus tributaire de la direction vent. - La manoeuvre se r8duit à la direction du bateau. Un dispositif simple peut permettre de réduire l'incidence des pales du captet en cas de tempête, afin de diminuer la trainée, tout en modulant la puissance de façon à conserver une certaine manoeuvrabilité. Le rendement, comparable à celui d'ne voile classique au largue lui est supérieur à toutes les autres allures et augmente jusqu un maximum bout au vent, alors que celui d'une voile décroit au@ allures du près, et devient nul vers 500 du lit du vent. - La force de dérive, comparable à celle d'une voile classioue au largue, reste constante jusqu'à 45U du lit du vent, et diminue rég@lièrement aux autres allures, alors qu'elle croit très rapi@ ment du largue au près pour la voile classique, jusqu'au triple sa valeur. La surface de dérive et le lest, ainsi que les échantillonnages gréement prévus pour les valeurs maximales de dérive peuvent do être diminués théoriQuement des 2/3 dans le cas du moteur à ven Cela permet d'envisager la renaissance du grand voilier avec le avantages suivants . autonomie sur le plan manoeuvres de port, et sut le plan des horaires de départ et d'arrivée ; équipage réduit, nécessaire pour assurer la dir tion au navire, d'où très importante économie des charges, lest mort et surface de dérive réduite de près des 2/3, autorisant une vitesse lege supérieure, donc augmentant le nombre des rotations. Ces avantages trouvent une application dans le commerce (pétroliers, cargos, pa-uebots) dans la pêche, dans la plaisance. N 2 Propulsion de véhicules terrestres, chars à voile, ou traineaux pour les sables ou les glaces. N 3 - Propulsion auxiliaire - Fig 4 . Le moteur à courant de fluide peut permettre d'utiliser le courant produit par le déplacement pour accroitre la poussée. Un bateau se déplaçant au moteur à 8 m/s, muni deuncapteurs de 10 m2 récupère une énergie de 44,16 Kg par capteur soit, une consommation de 180 g par cheval-heure, 105,9 g de carburant par heure. Cela permet à un voilier de se déplacer économiquement au moteur par calme plat, et à un navire rapide, pétrolier par exemple, de réaliser de très importantes économies. N 4 - Propulsion auxiliaire d'un aéronef. Un avion à réaction équipé de 2 moteurs à vent de 2 m2 chacun de surface de capteur, marchant à 250 m/s, récupérerait une poussée supplémentaire de 69 . 250 2 . 2 . 2 2 0,94/102 . 1,31 SOIT 13 TONNES et une trainée supplémentaire de 15 . 250 5 . 2 . 2/10 . 10 SOIT 3,750 TONNES d'oX un bénéfice de 9,250 TONNES, permettant une substancielle économie de carburant et un important accroissement du rayon d'action. -N 5 - Sustentation en marche d'un véhicule à coussin d'air, en réser- vant une partie de lténergie récupérée à la propulsion pour annuler -la trainée du capteur. N 6 - Direction d'un navire Un moteur à courant, placé à l'arrière d'un navire de surface ou d'un sous-marin se déplaçant à 8 m/s, dont le capteur aurait une surface de 5 m2 donnerait une poussée ofientable de P = 3,14 . j . 64 . 0,92 / 0,45 = 2054,25 Kgs et entraînerait une trainée de T = 1,9? Y2 S = 756,48 Kgs dont un bénéfice de 1297,77 = 1 1,29 tonne Cette poussée, constante en valeur absolue, peut être orientée à volonté et permet de diriger le bateau dans le plan horizontal, ou le sous-marin dans lesplans, avec une efficacité importante, même à 900. A incidence nulle la poussée positive permet une économie notable de combuitible. N 7 - P@opulsion accessoire d'un missile Un moteur à vent sur un missile permettrait une très importan te économie de carburant à la phase ascensionnelle, donc une importante augmentation de la portée. A la descente, il permettrait de récupérer l'énergie provenant de la transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique pour augmenter la portée et permettre la direction de l'engin, de manière silencieuse et indétectable pour les systèmes de détection à infra-rouges ou acoustinues. R E V E N D I C A T I O N S 10) Moteur à courant de fluide caractérisé par - un capteur de l'énergie du courant, constitue par une hélice à plusieurs pales dont l'angle d'incidence par rapport à l'axe de rotation est énuilibré par un ressort ayant pour tare la trainée de la pale en fonction de la vitesse du courant de telle sorte que cet- angle, au centre de poussée de la pale, soit de 230 à son minimum lorsque la pale est immobile. Ce capteur est orienté face au courant par une girouette. - un moteur, constitué par une hélice a plusieurs pales, dont l'angle d'incidence, par rapport au plan de rotation est é;ui- libré par un ressort ayant pour tare la trainé-e de la pale en fonction de la vitesse du courant, de telle sorte ue cet angle, au centre de poussée de la pale, soit de 23 à son minimum lorsque le courant est nul. Le moteur tourne dans le meme plan @ue le capteur. - un système de transmission transmettant, dans un rapport approprié, énergie reçue par le capteur au moteur. - un système directeur permettant d'orienter à volonté le jet de fluide propulsé par le moteur, cruelle que soit ltorientation du système capteur-moteur. 20) Propulsion auxiliaire : Capteur et moteur selon la revendication n0 1, caractérisée en ce aue capteur et moteur sont concentriques pour diminuer l'encom- brement; le jet de fluide est directement opposé au déplacement de l'engin pour récupérer énergie de résistance du fluide dans lequel il se déplace. 30) Proplllsion auxiliaire d'un aéronef Moteur à courant d'air selon la revendieation n 2, caractérisée en ce oue le capteur entraine ici le "fan" des réacteurs double flux, laissant la disponibilité de toute l'énergie du combustible pour la propulsion, tout en conservant les avantages d'économie et de silence des doubles flux, et en amenant un surcroit de poussée tirée de la résistance de l'air.