Brevet FR2869068A1 — publié le 20051021

TURBOMACHINE A ENTRAINEMENT LIQUIDE OU GAZEUX ET A RENDEMENT ELEVE L'invention concerne, de façon générale, les techniques de conversion de l'énergie cinétique d'un fluide en une autre forme d'énergie, par exemple en énergie électrique. Plus précisément, l'invention concerne une turbomachine mue en fonctionnement par un écoulement de fluide orienté, de l'amont vers l'aval, suivant une première direction, cette turbomachine comportant des moyens de déflexion de fluide montés à rotation autour d'un premier axe s'étendant suivant la première direction. Le domaine des turbomachines est très vaste, puisqu'il couvre aussi bien les moulins à vent connus depuis des siècles que les turbines hydrauliques modernes les plus sophistiquées. En dépit de l'ancienneté de ce domaine, des perfectionnements restent à faire sur le rendement des turbomachines, et notamment de celles qui sont plus particulièrement adaptées à un écoulement subsonique. Dans ce contexte, l'invention a précisément pour but de proposer une turbomachine qui, tout en présentant une structure relativement simple et compacte, offre un rendement relativement élevé. A cette fin, la turbomachine de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que les moyens de déflexion comprennent un déflecteur à flux tangentiel délimité par une première surface latérale de déflexion entourant le premier axe de rotation, présentant une concavité tournée vers l'amont de l'écoulement, s'étendant suivant la première direction entre une extrémité amont et une extrémité aval, et percée d'au moins une ouïe d'éjection par laquelle le fluide est, en fonctionnement, éjecté suivant une direction non radiale par rapport au premier axe. Il peut être avantageux de prévoir que les moyens de déflexion comprennent en outre une première hélice liée en rotation au déflecteur. De préférence, la première surface latérale de déflexion est formée d'une pluralité d'éléments de surface comprenant au moins deux éléments de surface voisins, les éléments de surface voisins étant séparés l'un de l'autre par une ouïe d'éjection. Par ailleurs, la première hélice et la première surface latérale de déflexion sont avantageusement conformées pour dévier l'écoulement de fluide suivant une même direction perpendiculaire à une direction radiale. La première hélice peut être montée en amont du déflecteur dans le sens de l'écoulement, ce qui cependant ne préjuge pas de l'utilisation éventuelle d'une hélice en aval du déflecteur. Dans un mode de réalisation facile à fabriquer, la première hélice présente un moyeu solidaire d'un arbre monté à rotation autour du premier axe, et au moins deux pales dont des extrémités respectives distantes du premier axe supportent la première surface latérale de déflexion et la relient à l'arbre. La première surface latérale de déflexion peut être conformée en cylindre, en tronc de cône, en cône ou en 15 coupole. La turbomachine de l'invention peut comprendre un support sur lequel les moyens de déflexion sont montés à rotation autour d'un deuxième axe perpendiculaire au premier, et comporter une dérive aval s'étendant dans un plan passant par le premier axe. Dans ce cas, il peut également être prévu qu'elle comprenne aussi une platine par l'intermédiaire de laquelle les moyens de déflexion sont montés à rotation autour du deuxième axe et par rapport à laquelle ces moyens de déflexion sont montés à pivotement autour d'un troisième axe perpendiculaire aux premier et deuxième axes, et qu'elle comprenne également une surface de résistance à l'écoulement de fluide distante du troisième axe, et un organe élastique de rappel s'opposant à la force exercée par le fluide sur la surface de résistance, ce dont il résulte une mise en drapeau de la turbomachine en cas d'écoulement à vitesse élevée. Le couple moteur offert par la turbomachine peut être augmenté en dotant cette dernière d'un entonnoir monté en amont de la première surface latérale de déflexion dans le sens de l'écoulement, cet entonnoir pouvant être fixe ou monté à rotation autour du premier axe et éventuellement luimême équipé d'une hélice. Une autre façon d'augmenter le couple moteur de la turbomachine peut aussi consister à équiper cette dernière d'une coiffe ouverte à ses deux extrémités et enveloppant au moins partiellement la première surface latérale de déflexion, cette coiffe pouvant à son tour être fixe ou montée à rotation autour du premier axe. Par exemple, la coiffe forme une seconde surface latérale de déflexion et présente des ouïes débouchant dans le même sens que les ouïes de la première surface latérale de déflexion ou en sens inverse, cette coiffe pouvant aussi former un manchon doté d'ailettes radiales internes disposées parallèlement au premier axe. De façon générale, il est judicieux de prévoir que le déflecteur présente, à son extrémité aval par rapport à l'écoulement, un fond traversé par l'arbre et adoptant par exemple une configuration de forme conique, de forme plate, de forme fixe, de forme mobile, et / ou en forme de pales. La turbomachine de l'invention peut aussi comprendre une pluralité de déflecteurs agencés sur une même structure et tournant autour de premiers axes respectifs sensiblement parallèles. Bien que la turbomachine de l'invention puisse être utilisée pour fournir une énergie mécanique d'utilisation immédiate, par exemple pour actionner une pompe, elle peut aussi comprendre un générateur électrique entraîné en rotation par au moins un déflecteur et convertir ainsi l'énergie cinétique d'un écoulement gazeux ou liquide en énergie électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une turbomachine conforme à un premier mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'une turbomachine conforme à un deuxième mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective d'un sous-ensemble d'une turbomachine conforme à un troisième mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 4 est une vue en perspective d'une 10 turbomachine conforme à un quatrième mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 5 est une vue de face schématique et simplifiée d'une turbomachine conforme à un cinquième 15 mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 6 est une vue de face schématique et simplifiée d'une turbomachine conforme à un sixième mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 7 est une vue de face schématique et simplifiée d'une turbomachine conforme à un septième mode de réalisation possible de l'invention; - les figures 8A, 9A, et 10A sont des vues de face schématiques de trois formes d'exécution possibles du fond d'un déflecteur utilisé dans une turbomachine conforme à l'invention; - les figures 8B, 9B, et 10B sont des vues de côté des fonds respectivement illustrés aux figures 8A, 9A, et 10A; et - la figure 11 est une vue en perspective d'une turbomachine conforme à un dernier mode de réalisation possible de l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne une turbomachine destinée à être entraînée par un fluide s'écoulant, de l'amont Am vers l'aval Av, suivant une direction Dl, ce fluide pouvant tout aussi bien être constitué par un gaz comme l'air ou la vapeur, que par un liquide comme l'eau. Pour ce faire, cette turbomachine comporte, de façon connue en soi, des moyens de déflexion de fluide qui sont montés à rotation autour d'un axe X idéalement parallèle à la direction Dl de l'écoulement fluide en condition normale de fonctionnement, et qui forment, vis-à-vis de l'écoulement de fluide, un obstacle que le fluide contourne en lui cédant une partie de son énergie cinétique. Selon l'invention, ces moyens de déflexion comprennent un déflecteur rotatif 1 conçu pour dévier le fluide suivant une direction T (figure 1) qui s'écarte nettement de la direction radiale R passant par l'axe X, cette direction T étant de préférence tangentielle, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction radiale R. Plus précisément, le déflecteur 1 est délimité par une surface latérale de déflexion 11 qui entoure l'axe de rotation X, qui présente une concavité tournée vers l'amont Am de l'écoulement, qui s'étend suivant la direction Dl de l'écoulement depuis son extrémité amont 111 jusqu'à son extrémité aval 112, et qui est percée d'une ou plusieurs ouïes d'éjection 110 par laquelle le fluide en écoulement est éjecté suivant la direction T. La surface latérale de déflexion 11 est par exemple formée d'une pluralité d'éléments de surface, tels que lla à lld, disposés de manière telle que les éléments de surface de chaque paire d'éléments de surface voisins, tels que lia et 11b, sont séparés l'un de l'autre par une ouïe d'éjection 110, les différentes ouïes étant ou non parallèles entre elles. La surface latérale de déflexion 11 peut notamment être conformée en tronc de cône (figure 1), en cylindre 20 (figure 2), en coupole (figure 3) , ou encore en cône. En plus du déflecteur 1, les moyens de déflexion peuvent comprendre une ou plusieurs hélices liées en rotation au déflecteur 1 et notamment une hélice 21 montée en amont de ce déflecteur dans le sens d'écoulement du fluide. Le déflecteur 1 et l'hélice 21 sont par exemple réalisés en métal, tel que l'aluminium, ou en un matériau synthétique moulé ou injecté, ou encore en un matériau composite. L'hélice 21 et la surface latérale de déflexion 11 sont conformées pour dévier l'écoulement de fluide suivant la même direction T, c'est-à-dire suivant une direction qui, en chaque point de cette hélice 21 et de cette surface 11, est perpendiculaire à la direction radiale R passant par ce point. Comme le montre la figure 1, l'hélice 21 présente un moyeu 210 solidaire d'un arbre 3 monté à rotation autour de l'axe X sur un berceau 700, et plusieurs pales 211 dont des extrémités respectives 211e, à distante de l'axe X, supportent la surface latérale de déflexion 11 et la relient à l'arbre 3. Dans le cas où la turbomachine est destinée à produire de l'énergie électrique, elle comprend un générateur électrique 8 entraîné en rotation par le déflecteur 1 et l'hélice 21 par l'intermédiaire de l'arbre 3. La turbomachine de l'invention peut encore comprendre un support 70, ou pylône, sur lequel le déflecteur 1 et l'hélice 21 sont montés à rotation, au moyen d'une butée à billes 72, autour d'un deuxième axe Z perpendiculaire à l'axe X. Une dérive 41, s'étendant dans un plan passant par les axes X et Y, est par exemple fixée sur le berceau 700 en aval du déflecteur 1 pour orienter l'axe de rotation X parallèlement à la direction Dl de l'écoulement. Comme le montrent encore les figures 1 et 2, le déflecteur 1 et l'hélice 21 peuvent être montés à rotation autour de l'axe Z non seulement par l'intermédiaire du berceau 700, mais également par l'intermédiaire d'une platine 42, et l'équipage comprenant le berceau 700, le déflecteur 1 et l'hélice 21 peut être monté à pivotement, par rapport à la platine 42, autour d'un troisième axe Y perpendiculaire aux premier et deuxième axes X et Z. Par ailleurs, la dérive 41 peut être dotée d'une surface 43 de résistance à l'écoulement de fluide disposée au-delà de l'axe Y par rapport à la platine 42, cette platine étant elle-même reliée au berceau 700 par un ressort de traction 44. Grâce à cet agencement, un écoulement de fluide d'intensité exagérément élevée, par exemple une tempête si la turbomachine est utilisée en éolienne, applique sur la surface 43 une poussée supérieure à la force de rappel exercée par le ressort 44, de sorte que l'équipage comprenant le berceau 700, le déflecteur 1 et l'hélice 21 pivote autour de l'axe Y, réduisant ainsi le couple exercé par l'écoulement de fluide sur le déflecteur 1 et l'hélice 21. Comme le montre la figure 4, un entonnoir 5 peut être monté en amont du déflecteur 1 dans le sens de l'écoulement pour augmenter la pression du fluide admis à l'intérieur de la surface latérale de déflexion 11. Cet entonnoir, qui peut être fixe ou lié en rotation 10 avec le déflecteur 1, peut dans ce dernier cas être lui-même équipé d'une hélice 51. Comme le montrent par ailleurs les figures 5 à 7, la turbomachine de l'invention peut encore comprendre une coiffe 6 ouverte à ses deux extrémités et enveloppant complètement ou non la surface latérale de déflexion 11. Cette coiffe 6 peut être montée fixe en rotation, ou 20 libre en rotation autour de l'axe X. Par exemple, la coiffe 6 peut être montée libre en rotation autour de l'axe X (figure 5), former une seconde surface latérale de déflexion entourant la première, et présenter des ouïes 60 débouchant dans le même sens que les ouïes 110 de cette première surface latérale de déflexion 11, de sorte que le déflecteur 1 et la coiffe 6 tournent dans le même sens de rotation S. La coiffe 6 peut aussi être montée libre en rotation autour de l'axe X (figure 6), former une seconde surface latérale de déflexion entourant la première, et présenter des ouïes 60 débouchant en sens inverse des ouïes 110 de cette première surface latérale de déflexion 11, de sorte que le déflecteur 1 et la coiffe 6 tournent dans des sens de rotation respectifs inverses, S et S'. La coiffe 6 peut encore former un manchon (figure 7) doté d'ailettes radiales internes 61 disposées parallèlement à l'axe X, cette coiffe étant alors fixe ou mobile en rotation en sens inverse S' du sens de rotation S du déflecteur 1. Comme le montrent les figures 8A à 10B, le déflecteur 1 présente, à son extrémité aval par rapport à l'écoulement, un fond 100 qui est traversé par l'arbre 3 et qui peut adopter un grand nombre de configurations possibles différentes. Par exemple, ce fond peut être constitué par un moulinet de forme fixe et conique, comportant des pales comme représentées aux figures 8A et 8B. Le fond 100 peut aussi être de forme plate et fixe, comme illustré aux figures 9A et 9B. Ce fond 100 peut encore présenter une forme mobile, et par exemple comporter un volet rabattable comme illustré aux figures 10A et 10B, la résistance offerte par ce fond 100 à l'écoulement de fluide pouvant alors décroître en fonction de la vitesse de ce fluide. Enfin, comme le montre la figure 11, la turbomachine peut comprendre une pluralité de déflecteurs 1 agencés sur une même structure 71 et tournant autour d'axes respectifs X sensiblement parallèles, les arbres de ces déflecteurs étant de préférence couplés en rotation. La turbomachine de l'invention peut être réalisée dans un faible encombrement, se montre silencieuse en fonctionnement, et, dans le cas où elle est utilisée en éolienne, s'intègre aisément au paysage dans lequel elle est utilisée. Elle peut ainsi être placée, notamment: - en milieu marin, sur un bateau ou tout autre engin marin; - en milieu boisé, sans incidence néfaste sur l'écologie dans la mesure où elle est peu visible, silencieuse et non polluante; - en milieu urbain, par exemple implantée sur un toit, une cheminée, un mur; - dans tous les milieux, sur tous les véhicules, engins roulants, volants, navigants, (avions, bateaux, automobiles, cycles, etc...). REVENDICATIONS. 1. Turbomachine mue en fonctionnement par un écoulement de fluide orienté, de l'amont (Am) vers l'aval (Av), suivant une première direction (Dl), cette turbomachine comportant des moyens de déflexion de fluide montés à rotation autour d'un premier axe (X) s'étendant suivant la première direction (Dl), caractérisée en ce que les moyens de déflexion comprennent un déflecteur (1) à flux tangentiel délimité par une première surface latérale de déflexion (11) entourant le premier axe de rotation (X), présentant une concavité tournée vers l'amont de l'écoulement, s'étendant suivant la première direction (Dl) entre une extrémité amont (111) et une extrémité aval (112) , et percée d'au moins une ouïe d'éjection (110) par laquelle le fluide est, en fonctionnement, éjecté suivant une direction (T) non radiale par rapport au premier axe (X). 2. Turbomachine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de déflexion comprennent en outre une première hélice (21) liée en rotation au déflecteur (1). 3. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première surface latérale de déflexion (11) est formée d'une pluralité d'éléments de surface (lia - 11d) comprenant au moins deux éléments de surface voisins (lla, 11b), les éléments de surface voisins (lla, 11b) étant séparés l'un de l'autre par une ouïe d'éjection (110). 4. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que la première hélice (21) et la première surface latérale de déflexion (11) dévient l'écoulement de fluide suivant une même direction (T) perpendiculaire à une direction radiale (R). 5. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que la première hélice (21) est montée en amont du déflecteur (1) dans le sens de l'écoulement. 6. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que la première hélice (21) présente un moyeu (210) solidaire d'un arbre (3) monté à rotation autour du premier axe (X), et au moins deux pales (211) dont des extrémités respectives (211e) distantes du premier axe (X) supportent la première surface latérale de déflexion (11) et la relient à l'arbre (3). 7. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première surface latérale de déflexion (11) est conformée en cylindre, en tronc de cône, en cône ou en coupole. 8. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un support (70) sur lequel les moyens de déflexion (1, 21) sont montés à rotation autour d'un deuxième axe (Z) perpendiculaire au premier axe (X) et comporte une dérive aval (41) s'étendant dans un plan passant par le premier axe (X). 9. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une platine (42) par l'intermédiaire de laquelle les moyens de déflexion (1, 21) sont montés à rotation autour du deuxième axe (Z) et par rapport à laquelle ces moyens de déflexion (1, 21) sont montés à pivotement autour d'un troisième axe (Y) perpendiculaire aux premier et deuxième axes (X, Z), et en ce que cette turbomachine comprend en outre une surface (43) de résistance à l'écoulement de fluide distante du troisième axe (Y), et un organe élastique de rappel (44) s'opposant à la force exercée par le fluide sur la surface de résistance (43), ce dont il résulte une mise en drapeau de la turbomachine en cas d'écoulement de fluide à vitesse élevée. 10. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un entonnoir (5) monté en amont de la première surface latérale de déflexion (11) dans le sens de l'écoulement. 11. Turbomachine suivant la revendication 10, caractérisée en ce que l'entonnoir (5) est monté à rotation autour du premier axe (X) et éventuellement lui-même équipé d'une hélice (51). 12. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une coiffe (6) ouverte à ses deux extrémités et enveloppant au moins partiellement la première surface latérale de déflexion (11). 13. Turbomachine suivant la revendication 12, caractérisée en ce que la coiffe (6) est montée à 20 rotation autour du premier axe (X). 14. Turbomachine suivant la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce que la coiffe (6) forme une seconde surface latérale de déflexion et présente des ouïes (60) débouchant dans le même sens que les ouïes (110) de la première surface latérale de déflexion (11) ou en sens inverse. 15. Turbomachine suivant la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce que la coiffe (6) forme un manchon doté d'ailettes radiales internes (61) disposées parallèlement au premier axe (X). 16. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 6, caractérisée en ce que le déflecteur (1) présente, à son extrémité aval par rapport à l'écoulement, un fond (100) traversé par l'arbre (3) et adoptant une configuration de forme conique, de forme plate, de forme fixe, de forme mobile, et / ou en forme de pales. 17. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de déflecteurs (1) agencés sur une même structure (71) et tournant autour de premiers axes respectifs (X) sensiblement parallèles. 18. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un générateur électrique (8) entraîné en rotation par au moins un déflecteur (1).