Brevet FR2867525A1 — publié le 20050916

La présente invention concerne une enveloppe cylindrique fixée autour des rotors coniques des propulseurs à centrifugation de fluide comportant sur sa paroi interne plusieurs nervures parallèles qui spiralent selon un pas déterminé en constituant ainsi une vis sans fin destinée à propulser vers son extrémité les molécules centrifugées sortant des rotors coniques. Depuis quelques années il existe un système de propulsion qui utilise un empilement de rotors centrifuges coniques. Alors que les rotors de pompes centrifuges ou de compresseurs pour ventilation industrielle sont traditionnellement plats, les rotors de ces propulseurs sont coniques, c'est à dire que les flasques ont un angle d'oblicité de 45 environ par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation. La poussée générée parallèlement à l'axe de rotation s'explique de différentes façons: 1 0 On sait tout d'abord que pour dévier une force de 45 il faut lui adjoindre perpendiculairement une force F' de même intensité. La déviation à 45 correspond alors à la résultante de ces deux forces. Or le principe action / réaction fera que le système par rapport à F' engendrera une réaction de même intensité mais de sens inverse, laquelle constitue la poussée. On constate d'autre part que la centrifugation du fluide va plaquer les molécules contre l'intrados de chaque 1 5 flasque de l'empilement de rotors et va les décoller complètement de l'extrados créant ainsi une différence de pression importante entre les deux faces de chaque flasque. La poussée correspondra au produit de la surface totale exposée par la différence de pression. La poussée ainsi calculée correspond à celle calculée précédemment selon la première interprétation. La troisième interprétation assimile cette poussée à l'effet d'un balourd latéral monodirectionnel stable du fait de 2 0 la conicité des rotors de centrifugation. Cette technologie, du fait des importantes vitesses de rotation des rotors a pour conséquences d'augmenter considérablement la masse inertielle des molécules ( a = w2 R = v2 / R et F = m a). L'énergie cinétique des molécules sortant des rotors est très importante et il est effectivement regrettable de ne pas l'utiliser. 2 5 Le dispositif selon l'invention permet de mettre à profit cette situation et d'exploiter au mieux ces molécules dans l'état où elles sont au moment où elles sortent des rotors coniques(3). En effet, un cylindre(1) vient envelopper cet empilement de rotors. Ce cylindre possède sur sa paroi interne un ensemble de nervures(2) parallèles en spirale selon un pas déterminé. Il s'agit de cloisons de quelques centimètres de haut, perpendiculaires à la paroi du cylindre. Elles spiralent en parallèle sur toute la longueur du cylindre. Ainsi les 3 0 molécules sortant des rotors sont plaquées contre le cylindre qui tourne à la même vitesse que les rotors. Le pas régulier de la spirale des cloisons va donc propulser vers l'extrémité du cylindre les molécules centrifugées à la manière d'une vis sans fin. Le fait de propulser dans une direction déterminée des molécules de fluide dont la masse est en plus multipliée par un coefficient très important nécessite une force dont l'énergie est fournie par le moteur(8) de mise en 3 5 rotation. A cette force de pression sur les molécules par les cloisons(2) en spirale correspond une réaction d'intensité équivalente qui vient s'ajouter à la poussée déjà générée par les rotors coniques. On constate une différence de pression importante entre tes deux faces de ces cloisons en spirale. Or la surface totale développée par ces cloisons (ramenée à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation) multipliée par la différence de pression générée entre les deux faces nous donne une valeur correspondant à la poussée générée. Ce cylindre(1) offre un autre avantage important puisqu'il enveloppe les rotors coniques et contraint les molécules de fluide (air, vapeur, eau, gaz divers) à s'échapper par l'extrémité de ce même cylindre. En effet, cela permet des vitesses de rotation des rotors plus importantes sans s'exposer aux problèmes liés au dépassement de la vitesse du son. On constate que les molécules à la sortie du cylindre sont soumises à la fois à la poussée des nervures(2) type vis sans fin, qui les propulsent parallèlement à l'axe de rotation(4) et à la force centrifuge qui les propulsent radialement tant qu'elles sont en rotation et tangentiellement à la sortie du cylindre. La vitesse tangentielle est d'environ 2376 km/h pour un diamètre de 70 cm à 18 000 tours /minute. La vitesse parallèle à 10l'axe est de 540 km/h du fait des nervures dont le pas est de 50 cm correspondant au déplacement vers la sortie(6) par tour et à 756 km/h pour un pas de 70 cm. En fait cette vitesse n'est atteignable que pour les molécules qui seraient entièrement soumises à l'action propulsive du pas des nervures c'est à dire des molécules qui ne tourneraient plus. Or on s'aperçoit que dès la sortie des rotors coniques, les molécules n'étant plus entraînées en rotation par les aubes radiales des rotors coniques, celles-ci glissent contre la paroi interne 1 5du cylindre et ralentissent progressivement en se soumettant de plus en plus à l'action propulsive des nervures. 11 est donc intéressant que le cylindre soit plus long que l'empilement des rotors(3) pour exploiter d'avantage l'effet propulsif des nervures et obtenir une poussée en réaction importante. Du fait que chaque rotor de l'empilement alimente cet espace, on constate que la concentration moléculaire, donc la pression, augmente en direction de la sortie(6). 2 011 est donc judicieux que toutes ces molécules qui possèdent une énergie cinétique importante soient exploitées au maximum. C'est pourquoi ces molécules passent par un ralentisseur(9) fixe situé à l'extrémité du cylindre. Sa forme en rebord de cloche ou en pavillon de trompette sert de déflecteur et permet de canaliser les molécules en déviant leur trajectoire ce qui les ralentie.Ainsi en modifiant la direction du flux ce déflecteur(9) fixe crée une surpression sur son intrados ce qui génère là encore, selon le même principe, une poussée qui 2 5vient s'ajouter aux précédentes. Lorsque les molécules sortent du ralentisseur, leur vitesses ne posent pas de problèmes de bruit. Enfin une enveloppe(7) fixe enferme et protège l'ensemble de ce dispositif propulseur. En ce qui concerne la mise en rotation du dispositif propulsif complet, elle est le fait d'un moteur(8) indépendant du principe exposé. Toutefois, on constate qu'il peut être intéressant d'associer directement le propulseur et son moteur en leur faisant exploiter le même fluide lorsqu'il s'agit d'une turbine à vapeur, à gaz ou une 3 ()turbomachine comme celles des hélicoptères. Dans ce dernier cas on peut choisir entre deux possibilités: soit la turbomachine (10) utilise l'air sortant du dispositif propulsif, soit c'est le dispositif propulsif qui exploite les gaz d'échappement de la turbomachine(10). Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente une coupe selon l'axe central de rotation de l'ensemble propulsif avec les rotors 35coniques entourés par le cylindre(1) et ses nervures en spirale(2) depuis l'entrée (5) du fluide, jusqu'à la sortie(6) par le déflecteur fixe (9) La figure 2 représente le même ensemble en transparence du cylindre(1) et de l'enveloppe fixe (7) La figure 3 représente une coupe schématisée d'un ensemble propulsif servant en même temps de compresseur à la turbomachine utilisée pour sa mise en rotation. L'air rentre (5) par les rotors coniques(3) et ressort par la turbomachine(10) La figure 4 représente une coupe schématisée d'un ensemble propulsif selon l'invention qui exploite les gaz 5 d'échappement de la turbomachine(10) servant à sa mise en rotation. En référence à ces dessins, le dispositif selon l'invention est constitué d'un cylindre(1) entourant l'empilement de rotors coniques(3) d'un propulseur à centrifugation de fluide. Ce cylindre est solidaire des rotors et tourne avec eux. Son diamètre est donc supérieur d'une dizaine de cm à celui des rotors. Cette différence s'explique par le fait que la face interne de ce cylindre comporte des nervures(2) parallèles spiralant selon un pas déterminé à la manière d'une vis sans fin. Ce pas dans la version présentée est d'environ 40 à 50 cm voir 70cm pour un diamètre de 70 cm. Ce diamètre peut augmenter de quelques cm en progressant vers la sortie c'est à dire aller de 64 à 72 cm. L'espace entre deux nervures est ici de 5cm correspondant donc à 8 nervures pour un pas de 40 cm. En fait cet espace peut être plus faible ce qui permettra d'avoir un nombre de nervures(2) plus important pour un même pas, donc une surface active plus importante. De la même manière la 1 5 hauteur entre deux flasques de rotors coniques centrifuges de l'empilement peut, elle aussi être réduite ce qui permet d'augmenter leur nombre pour une même hauteur globale. Le nombre de cloisons radiales (droites ou courbes) entre flasques coniques est lui aussi variable en fonction du fluide exploité (air, vapeur, gaz d'échappement de turbomachine etc.) La version présentée propose un moyeu central d'alimentation du fluide de 20cm de diamètre environ, des 2 rotors coniques de 60 cm de diamètre, des nervures en spirale de 2 à 5 cm de large pour une enveloppe cylindrique (légèrement conique) de 64 à 72 cm de diamètre. Si la vitesse de rotation est de 18 000 tours/minute soit 300 trsl s la vitesse périphérique est de 660 m/s ou 2376 kmlh donc supérieure à la vitesse du son. La force centrifuge est alors très importante puisque a =w2 R = V2 / R à savoir 66021 0,35 = 1 244 571 Par rapport à g = 9, 81 cela correspond à 126 867 g 2 5 Un seul litre d'air a alors un masse inertielle de 126 kg (et de 292 kg à 24 000trslmn). Or, c'est sous ce facteur que les nervures en spirale propulsent les molécules centrifugées à 150 ou 200m/s (720 km/h) ou plus. A l'extrémité des nervures, c'est à dire à l'extrémité du cylindre rotatif, les molécules possèdent une énergie cinétique très importante, même si leur vitesse de rotation a beaucoup chuté du fait de leur glissement sur la paroi interne du cylindre. Il convient de l'exploiter au maximum et de ralentir ces molécules avant leur 3 échappement (6) dans le milieu extérieur sans créer d'effet négatif réduisant la poussée. Voilà pourquoi elles passent dans le ralentisseur fixe(9) en forme de rebord de cloche ou de pavillon de trompette qui sert de déflecteur en modifiant la direction d'évasion des molécules laquelle correspondrait à la composante de leurs vecteurs de vitesses en direction et en intensité (vecteur tangentiel dû à la rotation et vecteur parallèle à l'axe de rotation dû à la propulsion des nervures. Cette modification de la trajectoire des molécules crée une 3 5surpression sur toute la surface de l'intrados de ce déflecteur qui se traduit par une poussée qui vient s'ajouter à celles générées par les flasques coniques et par les nervures en spirale. Une enveloppe(7) fixe protège l'ensemble du dispositif en rotation en supprimant tout contact entre les parties tournantes et le milieu extérieur, ce qui permet d'exploiter des vitesses de rotation très importantes sans être soumis aux problèmes liés au dépassement de la vitesse du son et en particulier au bruit provoqué par une sortie trop rapide des molécules. Dans le cas où cet ensemble rotatif est entraîné par une turbomachine(10) du type de celles utilisées pour l'entraînement des rotors d'hélicoptères, on constate que les vitesses de rotation peuvent être très importantes sans autres problèmes que celui du choix des matériaux. On constate également que le même fluide peut être utilisé par la turbomachine et par l'ensemble propulsif, l'un en amont ou en aval de l'autre. Le choix des matériaux et l'adaptation du concept sera donc à définir en fonction de la solution retenue pour l'application désirée. Les poussées générées peuvent être très importantes et à poussée égale, les quantités d'air brassé sont bien inférieures à celles utilisées, tant par les rotors d'hélicoptères que par les réacteurs d'avions. Ceci ne 1 Cpeut apporter que des avantages tant quant à son rendement que quant à sa facilité d'utilisation. Par rapport à un hélicoptère cet ensemble propulsif de 70 cm de diamètre est beaucoup moins encombrant donc moins dangereux qu'un rotor dont les pales ont un diamètre de 15 à 18 m. II est moins sensible aux turbulences du milieu ambiant, il génère beaucoup moins de souffle, moins de bruit, moins de vibrations et n'est pas limité en vitesse de déplacement comme sur les hélicoptères à cause de la vitesse limite de la pale remontante. Un 1 5 véhicule aérien ainsi équipé peut donc se déplacer beaucoup plus vite, atterrir n'importe où, se coller à une paroi de montagne ou à la façade d'un immeuble ( pour ies pompiers) sans problèmes. Du fait d'un meilleur rendement, pour une même turbomachine la masse transportée sera plus importante. Cet ensemble propulsif peut évidemment être dimensionné selon des échelles très différentes tant globalement, qu'élément par élément, et être modifié à volonté afin de s'adapter au mieux à ses applications et à ses 2 O conditions d'exploitation. Les vitesses de rotation et les matériaux utilisés seront évidemment, eux aussi, très différents selon que le fluide exploité sera de l'air, de l'eau, de la vapeur d'eau, des gaz d'échappement de turbomachine etc. Ainsi le dispositif de propulsion selon l'invention est particulièrement destiné à la propulsion de nouveaux types de véhicules aériens, au remplacement des rotors d'hélicoptères, des réacteurs d'avions, mais aussi à la 2 5propulsion d'engins terrestres, aquatiques et marins tels que les bateaux à grande vitesse ou bien ceux dont les hélices posent problème. Revendications 1) Enveloppe cylindrique(1) autour des rotors coniques(3) des propulseurs à centrifugation de fluide caractérisée en ce qu'elle comporte sur sa paroi interne plusieurs neivures(2) parallèles qui spiralent selon un pas déterminé en constituant une vis sans fin destinée à propulser vers son extrémité les molécules centrifugées sortant des rotors coniques. 2) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle est solidaire des rotors et tournent avec eux. 3) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que les nervures(2) propulsent des molécules de fluides dont la masse inertielle est multipliée par un facteur très important du fait de la très grande vitesse de rotation. 1 o 4) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'extrémité de ce cylindre se prolonge par un ralentisseur(9) fixe de forme évasée en rebord de cloche destiné à ralentir les molécules et à récupérer le maximum de leur énergie cinétique en modifiant leur trajectoire de sortie. 5) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que sa longueur est supérieure à celle de l'empilement des rotors coniques afin d'exploiter au mieux l'effet propulsif des nervures pendant que la 1 5 vitesse de rotation des molécules centrifugées diminue du fait de leur glissement sur la paroi interne du cylindre(1). 6) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle contraint toutes les molécules centrifugées à sortir à son extrémité ce qui permet d'utiliser les mêmes molécules que la turbomachine destinée à sa mise en rotation en amont ou en aval de celle- ci. 2 0 7) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle enferme les molécules jusqu'à leur sortie(6) c'est à dire après qu'elles aient été ralenties ce qui permet d'exploiter des vitesses de rotation très importantes sans être soumis aux problèmes liés au dépassement de la vitesse du son. 8) Enveloppe cylindrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle est elle-même enfermée et protégée par une enveloppe cylindrique(7) fixe qui supprime tout contact des parties tournantes avec le milieu 2 5 extérieur ce qui permet des vitesses de rotation très importantes sans aucun problèmes autres que le choix des matériaux.