Brevet FR2603069A1 — publié le 19880226

La présente invention concerne les groupes turbo-hydrauliques. Les types connus de ces groupes sont caractérisés par le petit rendement (moins le 50t,o dans le cas des générateurs hydrauliques), surtout lors de l'écart des conditions optimums. Les groupes hydrauliques selon l'invention, permettent d'obtenir un rendement proche des l00CVo. Ces groupes sont composés de cavités hydrauliques cylindriques ou cylindriques creuses (I, 2), au moins une, sur les surfaces cylindriques desquelles, intérieures (1, 2) et/ou extérieures (13) sont disposées suivant leurs génératrices (sur toute la longueur) et sous un angle le plus petit possible par rapport aux plans tangents aux surfaces cylindriques, les entrées-sorties à fente plane (3, 4, 5, 6) (au moins une) des conduits hydrauliques ; en outre, ils peuvent comporter une turbine (7-8), dont les parties (demi-turbines) (7, 8) ont une forme cylindrique (7, 8) et/ou cylindriquecreuse et coïncident, au moins sur un secteur (10,11), avec l'enveloppe cylindrique (3, 4) d'une des cavités avec entrée-sortie en forme de fente.Sur une turbine peuvent être disposés plusieurs conduits hydrauliques décalés les uns par rapport aux autres sous un angle identique. L'interstice des fentes des entrées-sorties peut être reglé, par exemple à l'aide d'une ressort à lame plate ou par l'intermedîaire des force centrifuges. Afin de consolider les entrées-sorties en forme de fente, elles seront équipées de nervures (raidisseurs), orientées suivant le flux du fluid. Dans les turbopompes les entrées en forme de fente de la turbine peuvent légèrement dépasser la surface cylindrique, laquelle pourra avoir la forme spiroidale-cylindrique avec le pas de la spirale égal à la hauteur du dépassement.Dans les générateurs la cavité autour de la demi-turbine d'entrée en forme de fente peut être ouverte, c'est-à-dire non-délimitée. Afin de réduire l'encombrement des groupes et augmenter leur rendement, il est recommandé d'utiliser un fluide hydraulique ayant un grand poids spécifique et un viscosité réduite, par exemple le mercure. Les conduits hydrauliques des turbines sont caractérisés par leur forme spiroidale par rapport à l'axe de la turbine, et par l'inversion de leur direction de rotation lors du franchissement de la frontière entre demi-turbines (dans le cas d'un générateur). Le nombre de formes concrètes des conduits des turbines et donc des turbines ellesmêmes, pouvant être utilisées de manière efficace dans les groupes hydrauliques proposés, est assez important.C'est pourquoi il serait rationnel de ne décrire ici que les demi-turbines fondamentales de base avec entrée-sortie, que nous nommerons entrée par convention, située convenflonellement à gauche de la demi-turbine avec conduit de la turbine ayant la forme d'une spirale à pas à gauche ; en se limitant à l'examen des demi-turbines de forme cylindrique et cylindrique-creuse uniquement ; avec entrée-sortie du conduit, conventionellement nommé sortie , située à l'extrêmité droite de la demi-turbine. I. Catégorie des demi-turbines avec sortie en forme fente située à l'axe de la turbine et orientée sous un angle aigu par rapport à cet axe, et avec entrée en forme de fente : la) avec conduit hydraulique de la demi-turbine en demi-S (en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine), avec entrée du côté exterieur de la surface cylindrique de la demi-turbine lb) avec conduit en demi-S avec entrée du côté intérieur du cylindre creux de la demi-turbine si la demi-turbine remplit les fonctions d'entrée dans le générateur, il y a interêt à augmenter sa section linéairement à partir de l'axe et vers la périphérie ; lc) avec conduit de forme spirol- dale, avec entrée du côté extérieur de la surface cylindrique de la demi-turbine ;; ld) avec conduit de forme spiroïdale, avec entrée du côté interieur du cylindre creux de la demi-turbine. II. Catégorie des demi-turbines avec entrée en forme de fente ne traversant pas l'axe de la turbine et orientée suivant cet axe : 2a) avec entrée située sous la surface, en demi-U (en projection sur la surface cylindrique de la turbine), avec entrée en forme de fente située du côté extérieur de la surface cylindrique de la demi-turbine ; 2b) avec conduit située sous la surface, en demi-U, avec entrée en forme de fente située du côté intérieur (creux) de la surface cylindrique de la demi-turbine ; 2c) avec conduit hydraulique en colimaçon, avec entrée cylindrique dans l'axe de la turbine, dont la section (suivant de plan traversant l'axe de la turbine) diminue linéairement à partir de l'axe et vers la périphérie. La construction de la turbine simple se réalise par l'assemblage rigide d'une demi-turbine avec une autre demi-turbine de la même catégorie (turbopompe dans les cas présent) ou bien avec son analogue de toute demi-turbine de la même catégorie (dans ce cas présent, générateur) situé symétriquement par rapport au plan axial ; cet assemblage se fait par les extrémités droites (c'est-à-dire celles où sont situées les sorties ). La construction d'un turbine composée peut se faire selon deux modalites différentes possible de deux modes différents : a) disposition coaxiale des deux turbines simples de manière à situer la demi-turbine cylindrique (avec fente extérieure) d'une turbine à l'intérieur du creux de la demi-turbine cylindrique creuse de la deuxième turbine (dans se cas la cavité hydraulique commune aux deux turbines aura la forme d'une anneau cylindrique) ; b) superposition totale ou partielle des corps des deux turbines simples dans un même espace (mais sans superposition des conduits hydrauqiques). Le choix de la turbine sera déterminé par l'affectation concréte du groupe hydraulique, dont les constructions les plus caractéristiques sont décrites si-dessous 1. Générateurs hydrauliques. Le rendement le plus elevé est à attendre des générateurs avec turbine lbc (c'est-à-dire composée d'une demi-turbine lb et de son analogue summetrique, une demi-turbine le). Le fluide hydraulique sous haute pression arrive dans la cavité de la premiére demi-turbine, traverse la turbine et pénètre par la sortie en forme de fente de la turbine dans la cavité de la deuxième demi-turbine.Les générateurs avec les turbines lab, lac (voir la figure ci-aprés), lad, 2ab et 2ca possèdent la propriété unique d'être homéostats : avec la réduction du niveau d'énergie produite par la turbine, le débit du fluide hydraulique sera réduit automatiquement, et au contraire, si le début du flux en charge est constant, les générateurs auront une puissance constante, en fonction de laquelle le nombre de tours de la turbine sera déterminé, c'est-à-dire que les générateurs-homéostats peuvent remplir la fonction de la boite de vitesse. Le nombre des tours peut atteindre quelques dizaines de milliers par minute. Parmi les turbines composées, la turbine réalisée par la libre disposition coaxiale des turbines 2ca et 2bc avec entrées-sorties sur les demi-turbines en colimaçon et cavité hydraulique annulaire, située entre les demi-turbines avec entrées-sorties en forme de fente ; la charge utile des deux turbines, tournant dans deux directions oposées, peut être transmise par l'intermediaire d'un différentiel, du type automobile, par exemple. 2. Pompes hydrauliques. Des toutes les turbines de générateurs seule la turbine 2ca peut remplir la fonction de pompe hydraulique (avec rotation forcée de la turbine). Parmi les turbinespompes lba, lbe, 2ba seront les plus efficaces. La fente de la turbine d'entrée peut légèrement dépasser la surface cylindrique. Le fluide sous basse pression est envoyé sur la demi-turbine avec entrée-sortie en fente tournant dans le sens contraire à la fente. Le flux sous haute pression est envoyé sur la demi-turbine avec entrée-sortie en fente tournant dans le sens contraire à la fente. Le flux sous haute pression sera prélevé sur la fente de la cavité hydraulique orientée dans le sens contraire à la trombe hydraulique. Les pompes ci-dessus présentées ont des propriétés homéostatiques: lors de réduction du débit du fluide sous haute pression la puissance absorbée de la pompe sera réduite automatiquement (avec le maintient de la même valeur de la pression de sortie). Ces pompes peuvent également créer des nivaux de pression supérieurs à ceux des turbopompes connues. 3. Transformateurs hydrauliques du mouvement alternatif en mouvement rotatif, sans clapets. Toutes les turbines proposées (exepté 2cc) peuvent transformer le mouvement alternatif du fluide en mouvement rotatif de l'arbre. Néanmoins, la plus efficace sera la turbine composée avec libre disposition coaxiale des turbines simples 2cb et 2ac. L'épaisseur de la cavité hydraulique annulaire entre les demi-turbines pourrait être négligeable. 4. Récupérateurs hydrauliques. Pour la récupération de l'énergie de la turbine, le générateur sera commuté en mode pompe (si cette turbine est peu efficace en tant que pompe, on peut monter sur l'axe de la turbine menante une turbopompe plus efficace). Nous proposons les récupérateurs des types suivants : a) Hydrodynamique, composé uniquement d'une cavité (indépendante ou coïncidant avec la cavité du générateur ou de la pompe) avec deux entrées extérieures en forme de fente et une sortie centrale. Le fluide, refoulé par la pompe de la turbine menante, est envoyé dans une des entrées en forme de fente de la cavité, créant ainsi dans la cavité une trombe hydraulique et une haute pression en périphérie de la cavité.Pour utiliser l'énergie de la trombe hydraulique, il suffit de diriger le flux haute pression de la cavité à travers une autre entrée-sortie en fente, sur la turbine menée (de service) de l'arbre moteur. b) Hydromécanique, composé d'un générateur indépendant avec un volant développant un moment d'inertie elevé. La turbine du récupérateur peut être composée de plusieurs sous-turbines de diamètres différents afin que le fluide hydraulique puisse être envoyé de la pompe de la turbine menante vers la sous-turbine du récupérateur la plus efficace sous la charge donnée du fluide hydraulique. 5. Variateurs du moment de force du mouvement rotatif ou boites de vitesse. Les générateurs hydrauliques homéostatiques remplissent déjà en grande partie la fonction d'une boite de vitesses. Néanmoins, les constructions proposées des turbines permettent de disposer plusieurs générateurs sur un même arbre, et le flux sera envoyé sur celui d'entre eux, qui aura le rendement le plus élevé sous la pression de chute donnée. La figure ci-jointe montre le schéma de principe d'un des générateurs hydrauliques homéostatiques ; pour une meilleure compréhension, le conduit hydraulique de la turbine y est représenté comme un corps solide indépendant. Les groupes hydrauliques proposés peuvent être utilisés dans les domaines les plus divers énergétiques comme industriels ; en plus, s'ils remplacent les groupes existants, ils peuvent augmenter considérablement leur rendement. Ainsi, le passage du flux hydraulique, sortant du générateur, à travers la turbine fixe spiroïdale avec la sortie en forme de fente et l'envoi ensuite du flux dans la cavité hydraulique ouverte, créeront une dépression importante à la sortie de la turbine, ce qui peut permettre parfois de presque doubler son rendement. Il serait aussi trés efficace d'utiliser les groupes hydrauliques proposés dans les moteurs à explosion où il pourront remplir les fonctions des bielles, vilebrequins, boites de vitesses, récupérateurs et, dans une trés grande mésure, des embrayages et freins. REVENDICATIONS 1) Groupes turbo-hydrauliques fonctionnant en tant que générateurs ou pompes et caractérisés en ce qu'ils (afin de diminuer la turbulance, de supprimer la dissection du flux par les pales, de faire passer toute l'énergie du fluide à la turbine, d'accumuler l'énergie hydrodinamique ou mechanique) sont composés d'une turbine 7-8 (que est un solide de rotatnin) au conduit hydraulique 9 dont l'entrée 3 et /où/ sortie 4 (en fente plane tangente aux surfaces de rotation) se trouvent /se trouve/ dans deux /une/ cavités hydrauliques indépendantes (1 et 2). Si les fentes (3, 4) sont orientées dans un sens unique (horaire) et il existe une différence de pressions dans les cavités (1, 2), alors le milieu (eau, huile, mercure etc.) passant par la turbine (7-8) la tournera dans le sens opposé ; tel groupe peut remplir les fonctions d'un générateur, d'un transformateur du mouvement alternatif du milieu en mouvement giratoire de la turbine, d'une boîte de vitesses automatique. Si les fentes (3, 4) sont orientées de façon opposées l'une à l'autre, alors (lors de la rotation forcée de la turbine) le groupe remplit la fonction d'une pompe ou d'un compresseur. Si la turbine du groupe n'a qu'une seule fente (à l'entrée ou à la sortie du conduit de la turbine), alors un tel groupe peut remplir toutes les fonctions citées ci-dessus. Dans la turbineO-8) on peut distinguer deux demi-turbines (7 et 8) (chacune avec un conduit hydraulique, dont la sortie se trouve sur le tronçon 12 commun aux deux demi-turbines). La forme des cavités et des demi-turbines est une forme d'un solide de rotation (en particulier : cylindrique (7, 8), cylindrique-creuse (2), cylindrique-annulaire (1)) Les demi-turbines cylindriques (à fentes situées sur la surface cylindrique) peuvent être (en fonction de la forme du demi-conduit hydraulique) les suivantes 1. Catégorie des demi-turbines avec sortie en fente située dans l'axe de la demi-turbine et orientée sous l'angle aigu par rapport à la demi-turbine, et avec entrée en fente plane : la- avec conduit en demi-S (en projéction sur un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine), avec entrée du côté extérieur de la surface cylindrique de la demi-turbine ; lb - avec conduit en demi-S, avec entrée du côté intérieur du cylindre creux de la demi-turbine ; si la demi-turbine remplit la fonction de sortie dans le générateur, la section de son conduit peut s'augmenter linéairement à partir de l'axe et vers la périphérie ; lc - avec conduit spiroïdal, avec entrée du côté extérieur /intérieur du cylindre creux - ld/ de la surface cylindrique de la demi-turbine. A la même catégorie des demi-turbines appartiennent également leurs analogues symétriques. II. Catégorie des demi-turbines avec sortie en fente ne traversant pas l'axe de la demi-turbine et orientée suivant l'axe de la demi-turbine ; 2a - avec conduit situé sous la surface en demi-U (en projection sur la surface cylindrique de la demi-turbine), avec entrée en fente plane située du côté extérieur /intérieur - 2b/ de la surface cylindrique de la demi-turbine ; 2e - avec conduit en forme de colimaçon, avec entrée cylindrique située dans l'axe de la demi-turbine, dont la section diminue linéairement à partir de l'axe et vers la périphérie ; cette demi-turbine ne se trouve dans aucune des cavités. A la même catégorie des demi-turbines appartiennent égale ment leurs analogues symétriques. Une turbine est composée des deux demi-turbines de la même catégorie ; une turbine est designée par ses demi-turbines, par exemple, la turbine lac est composée des demi-turbines la et le (pour la pompe) où la (7) et de l'anolague cymétrique de le (pour un générateur). 2) Groupe selon la revendication I caractérisé en ce que sa turbine (dans le cas d'impossibilité d'ammenée ou d'evacuation du fluide autrement que dans l'axe de la turbine) contient deux turbines : la première composée des demi-turbines 2c et 2b, la deuxième composée des demi turbines 2a et 2b ; notons que la demi-turbine 2a est située coaxialement à l'intérieur de la demi- turbine 2b, et la cavité a une forme cylindrique-annulaire. L'énergie produite par ces deux turbines tournant en directions opposées sera transmise à l'aide du différentiel de vitesses. 3j Groupe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est composé des plusieurs générateurs montés sur un même arbre; un tel groupe sera utilisé pour additionner les couples moteurs des générateurs quelle que soit la vitesse de rotation de l'arbre. 4) Groupe selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que (dans le but d'être universel) il contienne deux arbres: arbre central et arbre du récupérateur; sur chacun de ces arbres on monte au moins un générateur et une pompe; sur l'arbre du récupérateur sera monté également un volant. Un des générateurs de l'arbre central est raccordé par l'intermédiaire des conduits hydrauliques à la pompe montée sur l'arbre du récupérateur formant ainsi le circuit fermé n" 1 un des générateurs monté sur l'arbre du récuperateur est raccordé par les conduits hydrauliques à la pompe montée sur l'arbre central formant ainsi le circuit fermé n" 2. Chacun de ces circuits possède une vanne de commande n" 1 et n" 2.Pour transférer la totalité d'énergie de rotation de l'arbre central sur l'arbre du récupérateur, la vanne n" 2 s'ouvre tandis que la vanne n" 1 se ferme. Pour transférer la totalité d'énegrie de rotation de l'arbre du récupérateur sur l'arbre central, la vanne n" 2 se ferme tandis que la vanne n" I s'ouvre. Tel groupe groupe turbohydraulique universel peut réalise les fonctions d'un générateur, d'une pompe, d'une boîte de vitsesse automatique, d'un accumulateur d'énergie mécanique et d'un récupérateur hydromecanique. 5) Groupe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il (pour la récupération de l'énergie sans frottement entre les surfaces) est composé d'une seule cavité 1 cylindrique avec une fente d'entrée 5 et une fente de sortie 6, ainsi qu'une sortie-entrée 10 cylindrique située à l'axe de la cavité. Pour accumuler de l'énergie gydrodinamique, la fente 5 s'ouvre, tandis que la fente 6 est fermée (en ce moment, une trombe hydraulique est crée à l'intérieur de la cavité). Pour recupérer l'énergie de la trombe, la fente 5 se fermé, tandis que la fente 6 s'ouvre. Un tel groupe représente en fait un récupérateur hydrodinamique. 6) Groupes selon l'une des revendications de I à 5 caractérisés en ce que leurs fentes (3, 4, 5, 6) (afin d'augmenter l'efficacité des fentes et la robustesse de leurs parois) seront équipées des raidisseurs à parois minces, et l'interstice des fentes (3, 4, 5, 6) pourra être réglé à l'aide d'un ressort à lame plate ou bien par l'intermédiaire des forces centrifuges. 7) Groupe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une seule cavité cylindrique creuse (2) et en ce que son unique sortie (4) en fente est située sur la seule demi-turbine (du type le) cylindrique fixe, avec la section augmentant linéairement à partir de l'axe et vers la périphérie ; L'entrée du conduit est située dans l'axe de la turbine. Un tel groupe peut abaisser la pression à l'entrée de la turbine.