Brevet FR2820786A1 — publié le 20020816

La présente invention concerne un propulseur muffiétage centrifuge à dépression exploitant directement les gaz de sortie d'un turbomoteur pour générer une poussée onentable d'avant en arrière sur 600 et de gauche à droite sur 300 de chaque coté. Le principe de base de ce propulseur en ce qui concerne la poussée, fut inventé par le même auteur il y a déjà quelques mois sous le nom de propulseur par pression latérale d'un fluide centrifugé . Même s'il était dit clairement que ce propulseur fonctionnait très bien en milieu ouvert, il était également expliqué pourquoi et comment il était plus intéressant de l'utiliser en enceinte close sous pression. En effet cela permettait d'exploiter des différences de pression plus importantes et le fait de ramener dans le moyeu le flux de gaz centrifugé comme on le fait souvent autour des compresseurs centrifuges, ne modifiait en rien la poussée latérale produite par cavitation sur une, des faces des alvéoles de centrifugation. Toutefois ce dispositif en enceinte close se heurte à un à priori qui voudrait qu'on ne puisse pas générer de poussée dans cette situation et ce malgré les démonstrations et l'expérience acquise par les fabricants de pompes centrifuges, compresseurs ou pompes à vide pour qui ce phénomène parasite est suffisamment gênant pour être évité à tout prix dans leurs applications. Le propulseur, selon l'invention, exploite le même principe de base mais dans un contexte différent avec des moyens différents et des aménagements spécifiques indispensables à son exploitation. La finalité principale de ce propulseur est de générer une poussée importante et facilement orientable, de manière à pouvoir soulever un véhicule aérien, le faire voler à grande vitesse dans une direction donnée mais aussi le diriger et permettre un pilotage fin et précis sans les inconvénients des grands rotors d'hélicoptères. La poussée provient donc de la différence de pression générée entre les deux faces des parois obliques séparant les alvéoles centrifuges. De ce fait, l'objectif est double 1) créer une dépression maximum sur une des deux faces à savoir l'extrados des parois ; 2) plutôt que de rechercher une importante surpression sur l'intrados, l'objectif est principalement d'éviter que la même dépression se crée sur l'intrados donc il faut alimenter cette surface par un flux centrifugé qui maintiendra une pression normale. Tant mieux si cette pression est supérieure mais il faut garder à l'esprit qu'il est d'autant plus difficile de gérer un flux que sa pression est importante. D'où l'intérêt de privilégier les dépressions sur les extrados. En ce qui concerne le propulseur selon l'invention, pour alimenter ce flux sur les intrados, on utilisera le flux rapide et sous pression de la sortie des gaz du turbomoteur utilisé pour la mise en rotation rapide du propulseur. Les turbomoteurs d'hélicoptères comportent généralement un compresseur) (un ou deux étages), une chambre de combustion (8), une turbine (7) (2 étages) entraînant le compresseur sur le même arbre, puis une turbine libre (10) sur un axe indépendant (5). Les différents étages centrifuges obliques du propulseur pourront donc facilement être montés sur cet arbre indépendant (5) et être solidaires, donc entraînés directement par la turbine libre. Aucun réducteur, ni boîte de transmission principale, ni renvoi d'angle ne seront nécessaires. Le flux de sortie en rotation spiralé remonte le moyeu (20) conique et pénètre dans les alvéoles (1) radiales. Le déflecteur (2) placé à l'entrée de chaque alvéole, puis la force centrifuge, plaquent le flux contre l'extrados de la paroi supérieure alors que le même phénomène maintient une dépression importante sur l'intrados de la paroi inférieure inter-étages (3) compte tenu de l'obliquité de cette-a par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation (5). En périphérie, un manchon extracteur (12) entoure l'extrémité de sortie des alvéoles. Le pas inverse de ses aubes fixes éloignent les molécules de gaz centnfugé. Celles-ci sortent ensuite librement du puits (17) dans lequel ce propulseur est installé. Pour diminuer rapidement et même annuler la poussée (pour démarrer ou se poser) il suffit de libérer le flux de gaz directement au sommet du propulseur dans raxe de la turbine. Plusieurs dispositifs peuvent être utilisés tels que l'ouverture de lumières dans le cône axial de répartition (6) ou encore le soulèvement d'une couronne appartenant à la paroi supérieure du propulseur. L'orientation de la poussée est assurée par le pivotement de l'ensemble propulseur/turbomoteur selon deux axes. En effet cet ensemble est maintenu en partie médiane par un plot (13) avant et un plot arrière, permettant un pivotement latéral à gauche et à droite de 30 . Ces plots (13) de pivotement latéral sont fixés sur un châssis (16) rectangulaire ovalisé. Ce châssis est lui-même maintenu aux parois (15) internes du puits (17) par un plot (14) à gauche et un plot à droite, permettant un basculement avant et arrière de 60 ou plus si nécessaire. Ces basculements avant et arrière sont actionnés électriquement ou hydrauliquement et pilotés avec précision par le pilote du véhicule. Le puits (17) dans lequel est installé ce propulseur sera préférentiellement de forme parallélipipédique ovalisé et situé en position centrale supérieure par rapport à l'ensemble du véhicule. Un ou plusieurs conduits (18) d'amenée d'air frais extérieur nécessaire à l'alimentation du turbomoteur déboucheront dans le fond de ce puits puisque le turbomoteur a paradoxalement la tête en bas c'est-à-dire que le flux de sortie est dirigé vers le haut ce qui dans le cas d'un réacteur lui donnerait une poussée vers le bas donc en sens inverse du sens de la poussée ici générée. Heureusement que l'expérience acquise des revers a prouvé qu'il était possible d'inverser le sens de la poussée d'un réacteur. Le principe présenté ici ne va donc pas à l'encontre des lois de la physique ! Il est à repréciser qu'il ne s'agit pas ici d'utiliser un réacteur même à flux inversé, mais d'un simple turbomoteur tel que ceux utilisés sur tes hélicoptères. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente l'ensemble propulseur/turbomoteur en coupe selon l'axe de rotation des rotors. Le cercle centré sur l'axe des plots de pivotement permet de prendre la mesure des possibilités de basculement La figure 2 représente une coupe perpendiculaire à l'axe du propulseur au niveau d'un des étages avec ses alvéoles (l) centrifuges semi-radiales. La figure 3 montre une coupe horizontale du puits (17) dans lequel est installé l'ensemble Propulseur/ turbomoteur, cette coupe à mi-hauteur du puits montre le châssis (16) et les plots de pivotement permettant le basculement dans les 2 directions. La figure 4 montre l'ensemble propulseur/turbomoteur en basculement latéral avec la poussée dirigée à 300 vers la gauche. La figure 5 montre l'ensemble propulseur/turbomoteur en basculement vers l'avant, avec la poussée dirigée à 60 vers l'avant. La figure 6 montre la position du puits (17) du propulseur par rapport à l'ensemble du véhicule. En référence à ces dessins, le propulseur est constitué d'un empilement d'étages semi coniques comportant chacun une couronne d'alvéoles (1) centrifuges entourant le moyeu (20) central dans lequel sortent les gaz d'échappement du turbomoteur. Le turbomoteur a la particularité d'être installé verticalement dans le puits (17) de propulsion du véhicule et de pouvoir basculer d'avant en arrière et de gauche à droite. Contrairement à tout ce qui se fait aujourd'hui il a la tête en bas. En effet l'entrée d'air frais (11) se fait par le bas et l'échappement est en haut Ce turbomoteur a une constitution classique qui peut être faite de 1, voire 2 compresseurs (9) centrifuges, d'une chambre de combustion (8) puis de 2 étages de turbine (7) destinés à entraîner les 2 compresseurs fixés sur le même arbre. Ensuite sur un autre arbre (5) on trouve 2 étages de turbine libre (10) exploitant eux aussi le flux de sortie des gaz de combustion et destinés à entraîner le propulseur fixé sur le même arbre. Ce turbomoteur possède évidemment les équipements classiques (lubrification, démarreur, alimentation et régulation du carburant-conduite et contrôle de fonctionnement-générateur électrique, etc.) Le propulseur est donc monté directement sur l'arbre de la turbine libre (10) sans réducteur de vitesse ce qui lui confère une très grande vitesse de rotation. De ce fait cela limite son diamètre si l'on ne veut pas dépasser la vitesse du son en périphérie, et impose un empilement d'étages plus important Rappelons que la poussée est fonction de la surface (normale-perpendiculaire à l'arbre) des parois (3) séparant les étages d'alvéoles (1) centrifuges, soumise à une différence de pression entre leurs 2 faces et, proportionnelle à cette différence de pression. Le nombre d'étages du propulseur sera donc optimisé de manière à ce que, au régime normal de fonctionnement du turbomoteur, le débit, la pression et la vitesse du flux des gaz d'échappement puisse générer un maximum de différence de pression sur une surface maximum de parois (3) inter-étages. Au centre du moyeu (20) central, l'arbre est gainé par un carter conique (6) qui réduit progressivement la section du moyeu de manière à faciliter une bonne répartition du flux de gaz entre les différents étages. Sur le carter conique (6) sont fixés les bras profilés radiaux qui supportent les différentes couronnes d'alvéoles constituant les étages du propulseur. Les alvéoles centrifuges comportent une première partie perpendiculaire à l'axe dans laquelle se trouve le déflecteur qui dirige le flux contre l'intrados de la paroi inter-étages (3) tout en protégeant l'extrados de la paroi inférieure. La deuxième partie des alvéoles est à la fois inclinée vers le bas selon un angle de 300 à 45 par rapport au plan perpendiculaire à l'arbre et incliné vers l'arrière par rapport au rayon selon le sens de rotation de manière à plaquer au mieux le flux sur la surface de l'intrados de la paroi inter-étages au cours de son écoulement centrifuge. Les parois (4) séparant les alvéoles (1) contribuent au maintient global de la structure du propulseur et doivent résister à l'arrachement des différents étages du fait de l'effort cumulatif de la poussée générée par chaque étage. Les matériaux utilisés pour la réalisation de ce propulseur devront donc résister non seulement à l'arrachement dû à la force centrifuge et à la poussée, mais aussi à l'abrasion due au flux et surtout à sa température. Au sommet du propulseur un système d'ouverture devra permettre la libération verticale du flux des gaz d'échappement de manière à pouvoir facilement réduire, voire annuler, la poussée quelle que soit la vitesse de rotation du propulseur. Ce système d'ouverture par coulissement du carter conique (6) de l'arbre ou par rotation de lumières fera l'objet d'une future étude et présentation. En périphérie des alvéoles (1), ce flux est c happé par les aubes verticales du manchon (12) extracteur. Ce manchon extracteur est fixe et solidaire de la structure fixe de l'ensemble propulseurlturbomoteur. Cette structure globalement cylindrique ou presque comporte en partie médiane deux plots (13) de fixation sur le châssis (16) qui permettent le basculement latéral de cette structure selon un angle de 20 à 300 de chaque côté. Ce châssis (16) est un rectangle ovalisé entourant la structure de l'ensemble (19) propulseur/turbomoteur. Ce châssis (16) comporte lui-même deux plots (14) latéraux de fixation dans le puits (17) en permettant un basculement vers l'avant ou vers l'arrière du véhicule selon un angle de 600due chaque côté. Le basculement selon ces deux axes perpendiculaires est généré, commandé et contrôle électriquement ou hydrauliquement de façon simple et classique. Pour le pilote du véhicule aérien, le pilotage sera aussi simple que celui d'un hélicoptère voire davantage et sans les risques inhérents aux pales de rotor. Les dimensions du puits (17) de propulsion sont donc prévues de manière à permettre le débattement nécessaire au basculement et à la libre circulation du flux des gaz d'échappement Un ou plusieurs conduits (18) alimenteront le fond du puits en air frais puisque l'entrée du turbomoteur est en bas. Ce puits globalement paralléliipipédique pourra être un peu plus large en partie supérieure pour faciliter l'évacuation des gaz d'échappement au moins du côté arrière. Il est à noter que ce puits offre l'avantage d'être une très bonne protection contre le bruit et les risques inhérents aux rotors de grand diamètre. A titre d'exemple non limitatif dans le cas où le propulseur aurait un diamètre de 50cm avec une vitesse de rotation de 12 700 trs/mn afin de ne pas atteindre la vitesse du son en périphérie des alvéoles avec un moyeu jusqu'au déflecteur de 24 cm de diamètre, la surface efficace par étage serait de 1963cm2-452cm = 1511 cm2 x 4étages = 6044cm2 x 0,9 kgf/cm"= 5440 kgf de poussée Si le flux de gaz d'échappement permet l'exploitation de 5 étages, la poussée sera de 6800 kgf Or, compte tenu de la pression des gaz à la sortie du turbomoteur, on peut espérer une différence de pression entre l'intrados et l'extrados des parois (3) inter-étages, supérieure à 0.9 bar donc une poussée encore plus importante. Ainsi le propulseur selon l'invention permettra de créer de nouveaux types de véhicules aériens remplaçant avantageusement les hélicoptères actuels. Il permet le décollage et l'atterrissage vertical avec précision, dans un espace réduit sans risque et sans souffle au sol, avec un bruit réduit Il permet un déplacement horizontal à grande vitesse sans la limitation due à la vitesse de la pale remontante des rotors d'hélicoptères. Du fait de ses avantages supérieurs, son marché est celui du remplacement des hélicoptères avec en plus le marché des nouvelles utilisations rendues possible par ses caractéristiques pour des véhicules aériens, terrestres ou maritimes. REVENDICATIONS 1) Propulseur multiétage centrifuge à dépression caracténsé en ce qu'il exploite les gaz d'échappement du turbomoteur destiné à sa mise en rotation rapide pour générer une poussée orientable selon 2 axes perpendiculaires. 2) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est fixé donc entraîné en rotation directement sur l'arbre secondaire (5) de la turbine libre (10) du turbomoteur. 3) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le turbomoteur est installé verticalement, l'entrée d'air frais (11) située en bas et les étages de la turbine (T) au dessus suivi du propulseur proprement dit. 4) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble (19) turbomoteur et propulseur est fixé à un châssis (16) rectangulaire ovalisé, en partie médiane, par deux plots (13) permettant un basculement latéral de gauche à droite de 300 due chaque côté. 5) Propulseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le châssis (16) rectangulaire ovalisé est lui-même fixé aux parois (15) internes du puits (17) de propulsion par deux plots (14) à gauche et à droite permettant un basculement Avant/Arrière de 600 de chaque côté. 6) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'orientation de la poussée est commandée et actionnée électriquement ou hydrauliquement au niveau des deux plots (13) de la liaison entre ensemble (19) propulseur et châssis (16) d'une part et au niveau des 2 plots (14) de la liaison entre le châssis (16) et les parois (15) du puits. 7) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble (19) propulseurlturbomoteur est installé à l'intérieur d'un puits (17) permettant à la fois le débattement de l'ensemble selon 2 axes et la libre circulation des gaz d'échappement centrifugés quelle que soit l'orientation de la poussée. 8) Propulseur selon la revendication 7 caractérisé en ce que ce puits (17) est situé en position centrale supérieure par rapport à l'ensemble du véhicule et de ce fait est alimenté en air frais nécessaire au turbomoteur par un ou plusieurs conduits (18) débouchant au bas du puits. 9) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la poussée peut être annulée ou réduite par l'ouverture, en partie haute du propulseur, d'un dispositif spécialisé libérant axialement le flux des gaz d'échappement du turbomoteur.