Brevet FR2811722A1 — publié le 20020118

La présente invention concerne un propulseur à poussée réversible et modulée par électrovannes, destiné à s'opposer à la force centrifuge dans les virages et à réduire l'angle de gîte de tous types de véhicules. Depuis longtemps, différents dispositifs ont été étudiés pour éviter les effets de la force centrifuge qui peut provoquer le dérapage ou le basculement des véhicules. Pour les trains, on relève la voie extérieure ce qui fait pencher les wagons vers l'intérieur du virage, mais l'angle est calculé pour une vitesse moyenne déterminée à ne pas dépasser de trop. Depuis quelques années, le train pendulaire augmente ce basculement par des vérins, ce qui permet une vitesse supérieure dans les virages. Pour les voitures, des dispositifs agissant sur la suspension offrent une certaine efficacité évitant le basculement mais pas le dérapage. Pour les camions, il n'existe rien et ils doivent se contenter de ralentir suffisamment. Pour les petits bateaux, la forme de la coque et la position du moteur dans les virages génèrent automatiquement le basculement vers l'intérieur du virage. Pour les navires, le maximum d'équilibre est prévu à la construction; une vitesse maximum et un rayon minimum sont à respecter afin d'éviter une gîte extérieure trop importante. Mais pour ces mêmes navires, il n'y a malheureusement pas que les virages qui peuvent générer un angle de gîte important; il y a plus habituellement le roulis créé par la houle. Les bateaux de croisières et autres ferries sont généralement équipés de différents dispositifs destinés à éviter trop d'inconfort aux passagers. Quant aux avions et hélicoptères ils se penchent dans les virages et la force centrifuge s'additionne à leur poids. Seul le vent de dérive latérale à l'atterrissage pose encore problème. Depuis quelque temps il existe plusieurs types de dispositifs générant une poussée importante indépendante du milieu extérieur donc sans prendre appui sur l'extérieur. Certains de ces dispositifs de "propulsion interne ", moyennant quelques améliorations et aménagements, peuvent donc être utilisés pour générer une poussée latérale destinée à s'opposer à la force centrifuge exercée sur le véhicule (trains, voitures, camions, bateaux, etc..) Le type de propulseur interne à choisir devra permettre une réversibilité 2 5 de la poussée, souple, précise, modulée et répétitive sans que cela soit préjudiciable au bon fonctionnement du dispositif ni à sa tenue dans le temps. Parmi les dispositifs proposés à ce jour, il existe un propulseur constitué d'une enveloppe cylindrique renfermant un gaz sous pression et au centre de laquelle toumrne un rotor à pâles centrifuges se développant chacune parallèlement à l'axe de rotation sur toute leur longueur. Autour de ce rotor coulisse une paroi annulaire divisant l'espace intérieur en 2 compartiments. Le fluide sous pression, pénétrant de chaque côté entre les pales du rotor, est expulsé en périphérie. Si la cloison est en position centrale les 2 compartiments restent équilibrés. Si la cloison coulisse latéralement, en périphérie d'une face latérale du rotor, les molécules centrifugées ressortent toutes dans le même compartiment lequel monte en pression alors que l'autre se dépressurise. 3 5 Si les deux compartiments, sous des pressions différentes, étaient séparés par une paroi statique, il y aurait symétrie des parois sur lesquelles s'exercent les pressions et dans chaque compartiment la 2résultante serait nulle. Or il n'y a pas symétrie puisqu'une partie de la surface de paroi (la surface S balayée par la rotation des pales) n'offre aucune résistance à cette pression. De ce fait, sur la surface équivalente de paroi opposée, la poussée due à la pression n'est pas compensee. De ce déséquilibre naît une poussée correspondant à S x Pi dirigée vers la gauche pour le compartiment de gauche et S x P2 dirigée vers la droite pour le compartiment de droite. Si P2 est plus grand que P1 la poussée résultante globale sera de S x (P2 -P1) dirigée vers la droite. Le dispositif selon l'invention exploite le même principe de base pour générer la poussée latérale. Mais sa différence essentielle vient du fait qu'on ne veut plus utiliser de vérins hydrauliques donc plus de cloison-coulissante. En effet le coulissement de la cloison demandait des auxiliaires hydrauliques puissants. Ce propulseur sera commandé exclusivement par des électrovannes qui moduleront l'intensité de la poussée et sa direction. Ceci permet d'alléger, de simplifier et de rendre plus souple à piloter le propulseur, conditions indispensables à ce type d'utilisation, conditions que ne remplissait pas le dispositif précédent avec sa paroi coulissante qui devait supporter une proussée latérale de plusieurs tonnes. Le propulseur sera placé perpendiculairement à l'axe de déplacement du véhicule (routier, ferroviaire, -15 marin, aérien, etc.) Un boîtier de commande permettra de capter et de mesurer la force centrifuge ou l'angle de gîte. Il évaluera la poussée inverse à générer et commandera l'ouverture des électrovannes appropriées jusqu'à obtenir la poussée voulue. Des auxiliaires de contrôle et de sécurité éviteront toutes poussées inappropriées en neutralisant ou réduisant éventuellement la poussée excessive. Ainsi le propulseur proprement dit, est constitué d'un double carter cylindrique sous pression au centre ao duquel et selon son axe(8) tourne un rotor(l) à pales centrifuges(3) radiales droites ou courbes. Ces pales sont fixées parallèlement à l'axe de rotation sur toute leur longueur de manière à n'offrir aucune composante longitudinale. Elles n'auront donc aucun effet propulsif ni dans un sens ni dans l'autre et se contenteront de centrifuger les molécules qui pénétreront librement entre les pales d'un côté et de l'autre. Le moyeu(2) central du rotor aura un diamètre important de manière à ce que le pied des pales aient une 2 5 vitesse importante. Pour certaines applications, à l'intérieur de ce rotor, pourra même se trouver le moteur de mise en rotation du rotor avec ou sans multiplication de vitesse. Cette formule facilite l'étanchéité au niveau de l'axe de rotation(8) et l'enveloppe extérieure(7). Autour de ce rotor, de manière parfaitement ajustée, un manchon extracteur(4) facilitera l'expulsion des molécules centrifugées. Ce manchon est constitué de pales centrifuges, radiales obliques, fixes, droites ou courbes, parallèles à l'axe sur toute leur longueur. Ces pales sont maintenues à leurs extrémités par deux flasques(5) en couronne fixés sur le carter intérieur cylindrique(9). Un espace annulaire(10) libre, plus ou moins important le séparera de l'enveloppe cylindrique extemrne(7) et permettra la libre circulation du fluide centrifugé sortant du rotor(I). La cloison coulissante séparant les deux compartiments est donc remplacée 3 5 par les cloisons cylindriques fixes qui constituent le carter inteme(9) de chaque côté du rotor central. On a ainsi 3 compartiments au lieu de 2. L'enveloppe cylindrique externe, de plus grand diamètre, réserve donc - 3 - un espace annulaire relativement important et sert de réservoir tampon sous pression pour le fluide centrifugé et expulsé du rotor central, avant de pénétrer dans l'un des deux compartiments latéraux(11) par l'intermédiaire des électrovannes(6). Ces électrovannes seront donc placées dans les parois cylindriques constituant le carter inteme(9). Ce même espace annulaire permettra par un système intégré, le refroidissement du fluide sous pression. Lorsque le rotor est à l'arrêt les 3 compartiments ont la même pression puisque les molécules de fluide circulent facilement entre les pales du rotor et de la couronne extractrice. Lorsque le rotor est en rotation, les molécules des 2 compartiments latéraux pénétrant librement entre les pales--du rotor sont centrifugées puis ressortent dans le compartiment central, c'est à dire l'espace annulaire(10) séparant les deux carters. Si les électrovannes(6) sont toutes fermées, la pression baisse dans les 2 compartiments latéraux(11) de façon symétrique. On est dans la situation d'une sorte de compresseur centrifuge double et symétrique. Du fait de la symétrie du dispositif l'équilibre est maintenu et aucune poussée n'est enregistrée. Si par électrovanne je commande la décharge de l'espace annulaire sous pression dans le compartiment latéral(l 1) de droite je déséquilibre le système et j'enregistre une poussée vers la droite. En effet le compartiment central parfaitement symétrique sur lui-même est indifférent aux variations de pression, mais il n'en est pas de même pour les 2 compartiments latéraux. Regardons le compartiment de gauche en dépression (0.5 bar par exemple), les deux faces circulaires perpendiculaires à l'axe du rotor ne sont pas identiques puisque leurs surfaces soumises à la pression (0,5 bar) ne sont pas les mêmes. En effet la surface S balayée par les pales du rotor n'offre pas de composante longitudinale. La résultante n'est pas nulle et elle représente une poussée vers la gauche (puisque non compensée vers la droite) de S x 0.5. Pour le compartiment de droite mise en surpression par décharge de l'espace annulaire c'est la même chose mais en sens inverse et avec une différence importante c'est que la poussée résultant de la surface non compensée est de S x 5 bars dirigée vers la droite. La poussée globale du propulseur sera de S x ( 5 - 2 5 0.5) = 4,5 S. La poussée est donc proportionnelle à la surface S balayée par la rotation des pales du rotor sur laquelle ne peut pas s'exercer la pression, et proportionnelle à la différence de pression engendrée entre les 2 compartiments latéraux. On pourrait agir sur la surface S en la diaphragmant, ce qui en plus réduirait l'entrée d'air, mais c'est plus complexe à réaliser. Le plus simple est d'agir au moyen des électrovannes(6) sur la différence de pression générée entre les 2 compartiments latéraux. Ces électrovannes seront donc installées dans les parois cylindriques séparant l'espace annulaire(10) périphérique et chacun des 2 compartiments latéraux(l 1). Ce moyen est plus souple, ne demande aucune puissance hydraulique et permet même de consommer moins d'énergie lorsque la poussée est nulle alors que le système à paroi coulissante et 2 compartiments avait l'inconvénient de consommer pratiquement la même énergie à poussée nulle comme à poussée maximum puisque le flux global de molécules à centrifuger était presque constant. - 4 - Avec ce procédé lorsque la pression est minimum dans les 2 compartiments latéraux, la poussée est effectivement nulle mais au moins l'énergie de rotation est réduite puisque le flux global à centrifuger est réduit La surpression a été transférée dans l'espace annulaire périphérique entre les 2 enveloppes. Plusieurs types d'électrovannes de conception et de débits différents pourront être utilisés sur un même propulseur afin d'améliorer ses temps de réponses et sa précision de pilotage. Pour l'exploitation optimum de ce propulseur il suffit de concevoir et d'adapter le boîtier de commande des électrovannes en fonction de l'application prévue qui dans le cas présent est de générer une poussée latérale s'opposant à la force centrifuge enregistrée dans les virages ou à l'angle de gîte quel que soit son origine. Pour les bateaux un 2e propulseur à poussée latérale pourra être également utilisé pour le pilotage et aura alors la même fonction qu'une hélice d'étrave. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe par l'axe, de l'ensemble du propulseur montrant les trois compartiments, le rotor centrifuge(1) et son large moyeu(2) permettant même dans l'exemple choisi, de loger le moteur électrique. La figure 2 présente une coupe centrale, perpendiculaire à la précédente En référence à ces dessins le dispositif est constitué d'une enveloppe cylindrique(7) renfermant un fluide sous pression. L'espace intérieur est divisé en trois compartiments. Au centre et selon l'axe du cylindre, se trouve le rotor de centrifugation(1) entraîné en rotation par un moteur de nature indépendante du dispositif mais adapté à son domaine d'application. Ce moteur pourra donc être électrique, thermique, nucléaire, être une turbine ou tout autre source d'énergie rotative. Dans le cas d'un moteur électrique ou d'une turbine, ce moteur pourra être installé directement dans le moyeu(2) du rotor avec ou sans multiplication de vitesse de rotation. Pour les moteursélectriques, cette formule résout les problèmes d'étanchéité au niveau de l'axe sur l'enveloppe externe. Ce rotor (1)de centrifugation est constitué d'un moyeu(2) sur lequel sont fixées des pales centrifuges radiales droites ou courbes. Le moyeu central est de diamètre relativement important de manière à ce que les pieds des pales aient une vitesse déjà importante. Ces pales(3) seront fixées parallèlement à l'axe de rotation sur toute leur longueur de manière à n'offrir aucune résistance au flux latéral des molécules pénétrant de chaque côté entre les pales. Ces pales ne produisent qu'un effet centrifuge à la manière de deux compresseurs centrifuges symétriques très larges et sans cloison de séparation entre eux. Du fait de la centrifugation, on constate que la pression diminue lorsque l'on s'éloigne des faces latérales et, que les molécules ayant pénétré entre les pales sont centrifugées, donc expulsées radialement avant d'avoir atteint l'autre face. Le rotor assure ainsi la séparation entre les deux compartiments latéraux(11). Ainsi la surface S balayée par les pales(3) sera neutre ce qui permet de créer une dissymétrie de surface dans chacun des 3 5 deux compartiments latéraux. Toutefois, pour être précis, cette surface S est réduite de 10%/o ce qui correspond à la surface globale représentant les surfaces de profil d'extrémité latérale de l'ensemble des - 8- pales. Seule 90%/ de S est donc parfaitement neutre c'est à dire sans application pour la pression qui ne peut s'exercer sur rien. Les pales de ce rotor centrifuge sont entourées par une couronne d'aubages(4) parallèles inclinés en sens inverse et destinés à faciliter l'extraction périphérique des molécules de fluide centrifugé. Ces aubages de même longueur que les pales du rotor sont maintenues à chaque extrémité par deux flasques(5) en couronne fixés à la paroi de l'enveloppe intemrne(9) et parfaitement ajustés autour du rotor. Le carter intemrne(9) est donc cylindrique et constitue la séparation entre les deux compartiments latéraux(11) et l'espace annulaire(10) périphérique, sous l'enveloppe extérieure(7) sur toute sa longueur. Les deux compartiments latéraux sont donc parfaitement symétriques et sont traversés en leur centre par le o10 moyeu du rotor centrifuge. L'espace entre les 2 enveloppes sera occupé par le fluide qui peut être du gaz lourd sous pression. Il servira de réservoir tampon. Il intégrera le dispositif de réfrigération du fluide centrifugé donc en rotation. Un ensemble d'électrovannes(6), judicieusement réparties dans la paroi cylindrique du carter interne permettra les transferts de fluide entre l'espace tampon périphérique d'une part et les 2 compartiments latéraux d'autre part. Ces électrovannes pourront être de nature variée et avoir des débits différents de manière à offrir un pilotage rapide fin et précis de la poussee. Ces électrovannes seront commandées par un boîtier de commande qui intégrera les différents éléments permettant de capter avec précision l'effet contre lequel réagir (angle de gîte, force centrifuge, par exemple), une électronique permettant d'évaluer en temps réel l'intensité de la poussée à générer, sa modulation, un dispositif de pilotage manuel pourra se substituer aux automatismes, un dispositif de sécurité permettra instantanément de réduire une poussée intempestive par ouverture ou fermeture de toutes les électrovannes ce qui annulera instantanément toute poussée en rééquilibrant les pressions entre les trois compartiments. Des capteurs de pression équiperont chacun des 3 compartiments associés directement ou indirectement à des soupapes de décharge de sécurité. Un vase d'expansion pourra compléter cet 2 5 ensemble. Ainsi, le boîtier électronique, gérant la poussée latérale tant en intensité qu'en direction puisqu'elle est réversible du fait de la parfaite symétrie du dispositif, comporte un ensemble d'éléments assurant la fonction d'analyse et de mesure de la force centrifuge ou de l'angle de gîte, la fonction d'estimation de la poussée latérale à générer, la fonction de mesure permanente des pressions à l'intérieur de chacun des 2 compartiments et du réservoir tampon, la fonction de contrôle de la poussée générée, la 3 o fonction de mise en sécurité, la fonction de reprise en pilotage manuel et la fonction gestion de commande des différentes électrovannes Le boîtier pourra également agir sur le moteur et sa vitesse de rotation. Ce boîtier sera soit intégré au propulseur soit positionné à distance auquel cas les capteurs seront dissociés et positionnés au meilleur emplacement. - 6 Ainsi, ce propulseur selon l'invention, indépendant du milieu extérieur et générant une poussée latérale sans appui extérieur, est destiné à équiper tous les types de véhicules rouUtiers, ferroviaires, fluviaux, marins, aériens, etc. afin de s'opposer à la force centrifuge ou à réduire leur angle de gîte. D'autre part les améliorations apportées à ce propulseur afin de pouvoir l'exploiter de manière adaptée en propulsion latérale et répondre à ces exigences particulières peuvent avantageusement être utilisées pour la propulsion principale des véhicules en lieu et place des autres systèmes de propulsion de même qu'à la sustentation de véhicules aériens à la place des rotors d'hélicoptères. - 7 - REVENDICATIONS 1) Propulseur indépendant du milieu extérieur caractérisé en ce qu'il génère une poussée latérale réversible et modulée destinée à s'opposer à la force centrifuge et à réduire l'angle de gîte d'un véhicule terrestre, marin ou aérien, en exploitant une différence de pression s'exerçant sur des surfaces dissymétriques de parois internes appartenant aux deux compartiments latéraux(11) dont la pression est régulée par des électrovannes(6) qui assurent le transfert du fluide sous pression depuis le compartiment périphérique annulaire(10), lui-même alimenté par le rotor centrifuge(1). 2) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que cette poussée latérale est pilotée automatiquement et en temps réel par un boîtier électronique qui commande directement les électrovannes (6) de différentes natures et de différents débits assurant le transfert approprié du fluide sous pression - entre l'espace périphérique annulaire(10) à la sortie du rotor centrifuge(1) et les deux compartiments latéraux(11) symétriques. 3) Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un carter interne(9) cylindrique constituant les parois de séparation entre l'espace annulaire(10) périphérique et les deux compartiments latéraux(11), parois supportant les flasques(5) en couronne qui maintiennent les extrémités des aubages fixes du manchon d'extraction(4) qui entoure le rotor centrifuge(1) central. 4) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réservoir tampon périphérique(10) est constitué par l'espace annulaire existant entre le carter cylindrique inteme(9) et l'enveloppe extérieure(7) l'entourant complètement, espace dans lequel est intégré le dispositif de refroidissement du fluide et les soupapes de décharge. 5) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les électrovannes(6) de transfert du fluide sous pression, sont judicieusement réparties dans la paroi du carter cylindrique(9) séparant l'espace annulaire et les 2 compartiments latéraux permettant ainsi le transfert direct et modulé du fluide de ce même espace annulaire aux 2 compartiments latéraux(11). 7) Propulseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le boîtier électronique gérant la poussée 2 5 latérale tant en intensité qu'en direction puisqu'elle est réversible du fait de la parfaite symétrie du dispositif, comporte un ensemble d'éléments assurant la fonction d'analyse et de mesure de la force centrifuge ou de l'angle de gîte, la fonction d'estimation de la poussée latérale à générer, la fonction de mesure permanente des pressions à l'intérieur de chacun des 2 compartiments et du réservoir tampon, la fonction de contrôle de la poussée générée, la fonction de mise en sécurité, la fonction de reprise en pilotage manuel et la fonction gestion de commande des différentes électrovannes. 8) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur de mise en rotation du rotor centrifuge peut être directement inséré dans le moyeu(2) de ce rotor.