Brevet FR2530296A1 — publié le 19840120

La présente invention concerne un appareil récepteur pour la transformation de l'énergie d'un fluide animé d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation d'un arbre. ~ On connaît déjà des machines ou appareils fonctionnant en récepteurs et qui sont destinés à transformer l'énergie de fluides en mouvement en une énergie mécanique de rotation. Parmi ces machines on peut citer les turbines qui sont entrainées en rotation par des liquides, des vapeurs ou des gaz et les éoliennes entrainées en rotation par le vent. Ces appareils utilisent des capteurs, tels que pales, aubes, hélices etc, de structure rigide qui sont placées dans le courant fluide et sur lesquelles le fluide tn mouvement exerce une force se cécomposant en une composante longitudinale et une autre composante transversale cette dernière composante engendrant un couple provoquant la rotation de l'arbre portant les capteurs. Les capteurs de ces appareils ont pour caractéristique d'être calculés pour un fonctionnement optimal pour certaines valeurs de la vitesse d'écoulement du fluide et par conséquent leur rendement baisse dès quc la valeur réelle de la vitesse d'écoulement s'éloigne de celle qui a été prise en considération pour le calcul. On a cherché a remédier à cet inconvénient en utilisant des hélices à pas variable et aussi des auges di rec- trices mobiles. Toutefois cette solution a conduit à son tour à la conception de mécanismes délicats et particulièrement coûteux. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des appareils connus du type précité en procurant un appreil de conception particulièrement simple et d'un fonctionnement très fiable. A cet effet cet appareil récepteur pour la transformation de l'énergie d'un fluide animé d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation d'un arbre, comprenant au moins un capteur solidaire de l'arore rotatif et sur lequel agit le fluide en mouvement, est caractsrisé en ce que le capteur est constitué par une plaque déformable en matière souple et élastique. Suivant une caractéristique complémentaire de 'Jn- vention le capteur est constitué par un élément plan fixé fermement, par l'un de ses bord, sur un support solidair; de l'arbre rotatif, ce support étant perpendiculaire ou parallèle à l'arbre. L'appareil suivant l'invention offre l'avantage qu'il crée, sur l'arbre rotatif, un couple qui est toujours de même sens quel que soit le sens de l'écoulement du f.ui- de. Par ailleurs le capteur déformable s'adapte à la vitesse d'écoulement du fluide, en se déformant plus ou moins suivant cette vitesse, jusqu'à ce qu'il atteigne une position d'équilibre dans laquelle la réaction engendrée par suite de la nature élastique de la matière le constituant ainsi que la réaction de l'arbre contrebalancent l'effort exercé sur le capteur par le fluide en mouvement. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limiXa- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est une vue en perspective simplifie d'un appareil b capteur souple et élastique suivant l'ln- vent ion La figure 2 est un schéma illustrant la déformation du capteur pour des vitesses d'écoulement du fluide différentes. La figure 3 est une vue en perspective sahématique il lustrant le fonctionnement des capteurs souples et élastiques dans le cas d'un fluide s'écoulant alternativement dans deux directions opposées. La figure 4 est une vue en perspective schématique d'une application de l'appareil suivant l'invention à une utilisation de l'énergie de la houle. La figure 5 est une vue en plan schématique d'une variante d'exécution de l'appareil. La figure 6 est une vue en coupe axiale schématique d'un appareil transformant le mouvement alternatif d'un fluide en un mouvement de rotation continue. L'appareil suivant l'invention qui est représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à convertir 1 'énergie d'un fluide animé d'un mouvement de translation, c'est-à-dire s'écoulant a une vitesse V, en un couple f provoquant la rotation d'un arbre 1 d'axe xx'. L'appareil suivant l'invention comporte un capteur déformable 2 qui est réalisé en une matière souple et élastique et qui est constitué par un plaque plane pouvant avoir toute forme appropriée, par exemple rectangulaire dans l'exemple illustré sur la figure 1. L'épaisseur de la plaque plane 2 est fonction de la matière utilisée et du coefficient d'élasticité de celle-ci.Elle est calculée de façon que l'effort maximal que peut lui faire subir le fluide moteur ne lui fasse en aucun cas atteindre une déformation permanente La plaque souple et élastique 2, définissant un rectangle ABCD, est maintenue fermement, par l'un de ses catés CD, sur la partie extrême d'un support 3 solidaire de l'arbre rotatif 1 et qui est constitué par un bras radial. 5ans ce cas l'arbre rotatif 1 s'étend parallèlement à la direction de l'écoulement V du fluide moteur et en position de repos la plaque constituant le capteur 2 s'étend perpendiculairement à la direction V d'écoulement du fluide. Lorsque le capteur 2 est ainsi placé dans l'bcoule- nent du fluide moteur, la présence de cette plaque provoque une surpression sur sa face amont et au contraire une dépression sur sa face aval qui se traduisent par une force perpendiculaire à la plaque 2 et dont la valeur est du type F = K.SV2. Autrement dit la force F s'exerçant sur la plaque constituant le capteur 2 est proportionnelle à la surface de cette plaque, au carré de la vitesse V du fluide moteur et à t'n coefficient K dépendant de la forme de la plaque, de son angle d'incidence et des caractéristiques physiqu-es du fluide. Ce coefficient K est en général déterminé expérimentalement. Pour expliquer le fonctionnement du capteur 2 on se référera plus particulièrement à la figure 2 et on considérera la déformation de la ligne médiane 14N de la plaque 2 parallèle aux deux cotés AD et BC, cette ligne médiane étant le lieu géométrique des points d'application de la force F. Lorsque la vitesse V du fluide moteur est nulle (Vo = O) le capteur 2 s'étend perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide. Au fur et à mesure que la vitesse d'écoulement du fluide moteur augmente et passe par les valeurs croissantes V1, V2, V3, le capteur 2 se déforme et s'incurve de plus en plus, suivant des arcs de parabole, si bien que le point N vient occuper successivement les positions N1, N2 et N3. Au cours de cette déformation du capteur plan la surface apparente S de la plaque exposée au fluide moteur va en diminuant et par ailleurs la force s'exerçant sur le capteur n'est plus parallèle a la direction d'écoulement du fluide. Cette force prend les valeurs F1, F2, F3 qui sont de plus en plus inclinées par rapport a la direction du fluide moteur.Toutefois les forces F1, F2, F3 peuvent être décomposées en composantes axiales T1, T2, T3 et transversales P1, P2, P3. Par conséquent la plaque constituant le capteur 2 se déforme jusqu' atteindre une courbure telle que dans cette position la force exercée sur le capteur par le fluide moteur, par exemple la force F3, soit équivalente et opposée à la résistance élastique de la plaque 2 ainsi déformée, indiquée par R3, et l'on obtient donc, pour chaque valeur de la force F1, F2, F3, une composante transversale P1, P2, P3 bien caractérisée qui exerce une pousée transversale sur le support 3. Cette poussée se traduit-par un couple de rotation indiqué par f sur la figure 1. Si à un moment donné le sens du courant du fluide moteur,s'écoulant dans le sens de la flèche V1 (fig.3) vient à s'inverser, la vitesse intantanée est alors nulle (V=O) ), la force exercée sur le capteur souple et élastique 2 s'annule et ce capteur se redresse et s'étend de nouveau perpendiculairement au sens d'écoulement .Aussitôt que le fluide moteur commence a s'écouler en sens inverse, comme il est indiqué par la flèche - Vl sur la figure 3, le f-luide moteur exerce sur le capteur plan 2 une force asymétrique de la précédente et provoque une déformation symétrique du capteur 2.Toutefois la force exercée sur le capteur 2 se décompose en une composante transversale P1 de même sens que la composante transversale P1 produite par le fluide moteur s'écoulant à la vitesse + V1. On voit donc que le capteur souple et élastique 2 suivant l'invention a pour particularité de s'adapter automatiquement à la force F en provoquant une force de poussée P sur son support 3 et par ailleurs d'exercer une telle force de poussée P toujours dans le même sens quel que soit le sens d'écoulement du fluide moteur parallèlement à -1' ar- bre rotatif 1. I1 est b noter que dans toutes les positions de déformation du capteur plan 2, ce dernier présente une courbure parabolique ce qui est un facteur de bon écoulement du fluide. L'appareil suivant l'invention offre l'avantage que si la vitesse V d'écoulement du fluide moteur devent trop élevée, il se produit une autorégulation de l'appareil. du fait que chaque capteur plan 2 déformé au maximum s'étend pratiquement parallèlement à l'écoulement du fluide moteur et n'oppose sensiblement aucune résistance à l'écoulement de ce fluide. On évite de ce fait les phénomènes d'emballement qui dans le cas des éoliennes peuvent conduire à la destruction totale du matériel. Par ailleurs le capteur souple et élastique 2 s'adapte automatiquement à l'effort demandé. Si le couple de démarrage de l'arbre rotatif 1 est supérieur au couple exigé en marche normale, le capteur plan 2 se courbe davantage au départ et se redresse ensuite aidé en celà par une force développée par la rotation qui tend a- redresser la plaque, d'où l'obtention d'un état d'équilibre. Au démarrage, tant que le couple résistant appliqué à l'arbre moteur 1 est supérieur au couple moteur dû à la poussée transversale P, le capteur plan se déforme ce qui contribue a augmenter la poussée P. I1 est évident qu'en pratique chaque appareil suivant l'invention comprend plusieurs capteurs déformables 2 et leurs supports correspondants 3 montés sur un même arbre, à des fins d'équilibrage et d'augmentation de la puissance fournie. On décrira maintenant, en se référant à la figure 4, une application de l'invention à un appareil tirant parti de 1 ' énergie de la houle. Cet appareil comporte un arbre vertical 4 qui est solidaire d'au moins deux bras radiaux et horizontaux 5 et 6 diamétralement opposées. Sur chacun de ces bras 5, 6 sont fixés, par l'un de leurs côtés, des capteurs souples et déformables 2 constitués par des plaques planes rectangulaires. Au repos tous les capteurs plans 2 s'étendent dans un même plan perpendiculaire à l'arbre vertical 4, et ce dans le sens opposé au sens de rotation de l'arbre vertical 4, illustré par la flèche fl, c'est-à-dire que l'arbre 4 étant supposé tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, les capteurs plans s'étendent en sens inverse. Si le fluide dans lequel baigne l'appareil illustré sur la figure 4 est agité d'un mouvement alternatif de bas en haut avec un décalage dans le plan horizontal, comme cela est le cas de la houle, les particules de fluide qui , à un instant donné, sont animées d'un mouvement ascendant, déforment les capteurs 2 qu'elle rencontre pour les incurver vers le haut et au contraire les particules de fluide animées d'un mouvement descendant déforment d'autres capteurs 2 pour les incurver vers le bas. Tous les capteurs 2 ainsi déformés, à un instant déterminé, sont soumis à des forces individuelles qui donnent des composantes transversales de poussée orientées toutes dans le même sens, d'où un couple moteur s'exer çant dans le sens de la flèche fl sur l'arbre 4. Il est à noter que la longueur des capteurs 2 doit être adaptée à la longueur d'onde du mouvement montant et descendant du fluide de telle sorte que très peu de capteurs seulement puissent être sollicités par des particules se déplaçant en sen-s inverse. Ce phénomène est naturellement obligatoire mais il est peu gênant lors du passage des capteurs 2 dans les remous dus au passage des axes en travers des lames. Dans la variante d'exécution illustrée schématiquement sur la figure 5 l'appareil suivant l'invention cmporte uncapteur 2 souple et élastique fixé par son côté vertical DC à un bras horizontal et radial 7 solidaire d'un arbre vertical 8 et le capteur 2 est soumis à l'action d'un fluide moteur s'écoulant horizontalement suivant la flèche V.Sur la figure 5 sont représentés plusieurs positions occupées successivementpar le capteur 2 au cours de sà rotation autour de l'axe de l'arbre 8. Au cours de cette rotat-ion le capteur 2 se déforme plus ou moins vers l'intérieur ou vers l'extérieur, suivant l'angle de la rotation, comme on peut le voir sur la figure 5.Naturellement un appareil fonctionnant sur ce principe doit comporter plusieurs capteurs 2 solidaires du même arbre vertical 8 et décalés angulairement et régulièrement les uns par rapport aux autres, par exemple de 12011, autour de l'arbre 8,pour assurer une rotation eontinue. On peut également prévoir dans ce cas un volant de régulation. I1 est à noter que dans ce cas l'appareil tourne quelle que soit la direction horizontale suivant laquelle s'écoule le fluide moteur. L'appareil suivant l'invention trouve une application particulièrement intéressante pour tirer parti de l'é- nergie de fluides non contrôlées c'est-à-dire dont on ne peut régler d'une façon permanente les puissances qu'ils développent. Parmi ces fluides on peut citer le vent et la houle pour lesquels les moyens actuels s'adaptent mal sans sol-ution mécanique ou trop onéreuse et fragile. Les capteurs souples et déformables 2 suivant 1' in- vention sont donc plus particulièrement destinés à équiper les turbines et hélices d'éoliennes d' axe horizontal, les éoliennes d'axe vertical, ainsi que des turbines hydrauliques de construction particulièrement simple pour la récupération de l'énergie de la houle. Le fait que le changement du sens d'écoulement du fluide moteur ne modifie pas le sens de rotation de l'arbre permet de réaliser la transformation d'un mouvement alternatif en un mouvement rotatif sans avoir à utiliser un système bielle-manivelle, ce qui permet en plus d'avoir des mouve ments alternatifs d'amplitude variable sans perturber le mouvement de rotation obtenu. La figure 6 illustre la réalisation d'un tel appareil qui comporte une première chambre cylindriques 9 dans laquelle est logé un piston 10 animé d'un mouvement alternatif, une seconde chambre cylindrique 11 dans laquelle sont logés des capteurs souples et élastiques 2 solidaires d'un arbre rotatif axial 12, les deux chambres 9, 11 communiquant par un conduit de liaison axial 13. Un vase d'expansion 14 est également raccordé à la chambre il pour permettre les variations de volume de liquide dans cette chambre. On voit par conséquent que lorsque le piston 10 est animé d'un mouvement alternatif il refoule et aspire successivement le liquide remplissant les chambres 9, 11 et le conduit 13 et il se produit dans la chambre 11 un mouvement longitudinal alternatif du liquide qui se traduit par une rotation des capteurs 2 et de l'arbre 12 toujours dans le mdme sens, comme on l'a vu précéemment. REVENDICATIONS 1- Appareil récepteur pour la transformation de l'énergie d'un fluide animé d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation d'un arbre, comprenant au moins un capteur solidaire de l'arbre rotatif et sur lequel agit le fluide en mouvement, caractérisé en ce que le capteur (2) est constitué par une plaque déformable en matière souple et élastique. 2- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le capteur est constitué par un élément plan fixé fermement, par l'un de ses bords (CD) , sur un support (3) solidaire de 1' arbre rotatif (1), ce support(3) étant perpendiculaire ou parallèle à l'arbre (1). 3- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il-comporte plusieurs capteurs plans et élastiques (2) fixés chacun, par l'un de leurs bords (CD), è un bras radial (3) s'étendant perpendiculairement à l'arbre (1). 4- Appareil suivant l'une quelconque des revendicationsl et 2 caractérisé en ce qu'il comporte un arbre vertical (4) dont sont solidaires au moins deux bras radiaux et horizontaux (5,6) diamétralement opposés sur chacun desquels sont fixés, par l'un de leurs côtés, plusieurs capteurs souples et élastiques (2) constitués par des plaques planes, ces capteurs plans (2) s'étendant, au repos, dans un même plan perpendiculaire à l'arbre vertical (4) et ce dans le sens opposé au sens de rotation de l'arbre vertical (4). 5- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 carac térisé en ce qu' il comporte plusieurs capteurs souples et élastiques (2) fixés chacun, par leur côté vertical(DC), à un bras horizontal et radial (7) solidaire d'un arbre vertical (8), les divers capteurs (2) étant décalés angulairement et régulièrement les uns par rapport aux autres autour de l'arbre (8). 6- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte une première chambre cylindrique (9) dans laquelle est logé un piston (10) animé d'un mouvement alternatif, une seconde chambre cylindrique (11) dans laquelle sont logés des capteurs souples et élastiques (2) solidaires d'un arbre rotatif axial (12), les deux chambres (9,11) communiquant par un conduit de liaison axial (13), et un vase d'expansion (14) raccordé à la chambre (11).