Brevet FR2923552A1 — publié le 20090515

t DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION : La présente invention est une évolution notable du concept des moulins à vent et à eau. ETAT DE LA TECHNIQUE Un moulin à vent exploite l'énergie éolienne au travers d'un ensemble mobile actionné par les courants d'air naturels, cet ensemble est constitué d'au moins deux pales identiques et équilibrées montées sur un axe de rotation situé �bout au vent �, c'est l'incidence des pales qui provoque la rotation. L'axe de rotation est en général situé dans une position horizontale. La puissance optimale est obtenue en ajustant les réglages de 2 paramètres majeurs : l'incidence des pales et l'orientation de l'ensemble mobile vis-à-vis de la direction du vent. Le moulin à eau est fondamentalement différent du moulin à vent car le fluide pousse des aubes (ou pales) identiques d'une façon tangentielle par rapport à l'axe de rotation, l'axe est dans ce type de machine positionné travers/orthogonal à la direction du flux et non parallèle à celui-ci. Le moulin à eau utilise généralement une roue de grand diamètre autour de laquelle sont réparties les nombreuses aubes/pales identiques. Les pales s'immergent cycliquement dans l'eau perpendiculairement à la progression du flux ou sont frappées par le flux puissant venant d'un injecteur. Les réglages sont plus simples que pour un moulin à vent car le flux hydraulique est généralement constant tant en direction qu'en puissance. Dans les deux cas (moulin à vent et moulin à eau) la forme et le volume des pales/aubes/ailettes est immuable : en fonctionnement elles ne changent ni de surface intrinsèque ni de forme individuelle et sont monolithiques. Dans les 2 cas cités les vitesses de rotation autorisées sont faibles. DESCRIPTIF GENERAL DE L'INVENTION : A la différence des moulins à vent et à eau, la Turbine polyvalente à guichets en états opposés ne possède pas de traditionnelles pales/aubes/ailettes toutes identiques, définies par un volume monolithique et une forme/surface individuelle invariante, mais au moins un binôme de systèmes à 2 volumes composites, mobiles, changeants et toujours en opposition .Le système composite qui remplace la pale (l'aube ou l'ailette) est appelé � guichet � car il prend alternativement une position ouverte puis fermée, il est constitué de deux grilles coulissantes (GRI) munies de nombreuses fentes parallèles qui permettent d'organiser cycliquement des différentiels de surfaces exposées à une même veine de flux naturel d'alimentation. Les guichets (GUI) sont supportés par un cadre rotatif CAD) avec axe de rotation (AXE) positionné travers au flux naturel d'alimentation, le cadre est solidaire de l'arbre de sortie de la machine. Les 2 guichets sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de sortie, dans le même plan générique que celui du cadre rotatif. Cette nouvelle machine fonctionne aussi bien placée dans un flux d'air que dans un flux d'eau et accepte des grandes vitesse de rotation (fig. 1). En résumé, la Turbine polyvalente à guichets en états opposés permet de fonctionner en pleine veine de fluide tant éolien qu'hydraulique tout en délivrant un fort couple moyen sans avoir recours obligatoirement à un système complémentaire de formatage et/ou une adduction particulière du fluide. Les plages d'utilisations sont très étendues au regard des vitesses de fluide acceptées et des implantations offertes par la nature. (Exemple : la même architecture de dispositif peut sans grands changements être totalement immergé dans le lit d'un flux hydraulique lent (rivière) ou exposé à un régime de vents en tempête, tout en conservant un fonctionnement satisfaisant) SPECIFICITE DES ARRANGEMENTS Les guichets sont de composition identique mais leur géométrie variable leurs permettent de réagir au flux en opposition de phase : quand un guichet laisse passer le fluide, l'autre le bloque et réciproquement, cet état d'opposition est stable sur 160°(par exemple), puis, 20° avant la fin du demi cycle, les grilles du guichet �passant� coulissent l'une sur l'autre pour le transformer en guichet �bloquant� et les grilles du guichet �bloquant� coulissent l'une sur l'autre pour le transformer en guichet �passant �. Le demi cycle s'effectue ainsi en alternance sur 180° angulaire de rotation d'arbre de sortie. Le même flux d'alimentation exerce une force très différente sur chacun des guichets en opposition car leurs 2 maîtres couples de surfaces actives sont constamment maintenus dans un rapport voisin de 1 à 2 sur les 160 ° de rotation motrice (80° avant et 80° après la position orthogonale des surfaces par rapport au flux). Un mouvement rotatif prend naissance à partir de cet important différentiel de couple qui s'exerce sur plus de 88 % (160°/180°) de la valeur angulaire de chaque demi cycle. De cette façon le mouvement pérenne et rotatif de la machine est bien établit. La rotation s'effectue toujours dans le même sens. (fig. 1). Pour réaliser le changement d'état des guichets en opposition, deux cames (CAM) sont disposées latéralement de chaque côté au cadre rotatif et commandent/pilotent les mouvements latéraux des grilles suivant une amplitude volontairement faible (cette amplitude dépend de la largeur choisie pour les fentes de grilles). Le changement d'état doit se dérouler à un endroit très précis du positionnement relatif du cadre par rapport à la direction du flux. Les coulissements de grilles s'effectue avant la fin du demi cycle nominal de 180° sur un maximum de 20° angulaires d'arbre de sortie (valeur indicative pour un bon compromis de fonctionnement), au moment exact ou la tranche de l'ensemble cadre/guichets passe �bout au flux � : c'est le point médian théorique de changement d'état (la première moitié du coulissement des grilles est réalisée et seconde moitié reste à faire). Ces valeurs angulaires de basculement en degré sont relevées sur l'arbre de sortie, elles dépendent bien entendu des choix rigoureux de paramétrage de la forme des cames. Elle ne sont données ici qu'à titre indicatif et peuvent être choisies différemment selon les besoins. Chaque guichet passe donc d'une position de blocage du flux à une position de passage, et réciproquement, à partir du 160 ° du demi cycle de rotation mesuré sur l'arbre de sortie (valeur pour exemple). Au moment des 2 changements d'états simultanés, chaque bi-plan de grilles coulisse suivant un axe perpendiculaire au flux (travers au fluide) avec une incidence au flux du plan générique de cadre très faible. Cela minimise les éventuels efforts parasites et limite à un maximum de 20 ° angulaires la durée totale du point mort de motricité. DEFINITION DES PIECES CONSTITUANTES : Définition de la grille coulissante (GRI) : c'est une plaque perforée de multiples fentes parallèles de largeur identiques, l'épaisseur de la matière restant entre chaque fente est identique à la largeur des fentes. Chaque grille possède sur l'une des ses extrémités un doigt de commande (DOI) qui la guide continuellement via l'une des cames latérales (CAM). (fig. 1) Définition du guichet (GUI) : c'est un binôme de deux grilles superposées qui coulissent relativement l'une par rapport à l'autre selon un débattement relatif de valeur identique à la largeur de fente. Lors de chaque phase d'inversion d'état, les deux grilles superposées d'un même guichet coulissent relativement l'une par rapport à l'autre selon un débattement relatif de valeur identique à la largeur de fente. L'opposition d'états des guichet en début d'un nouveau demi cycle est ainsi pérennisé : un guichet � passant � ou les fentes coïncident et un guichet �bloquant � ou les fentes sont obstruées par la matière de la grille jumelle. Les deux doigts des deux grilles du même guichet sont situés de part et d'autre du guichet et sont guidés respectivement par l'une et par l'autre des cames latérales. (fig. 1) Définition du cadre rotatif (CAD) : c'est la partie qui maintient les guichets, assure les coulissements de grilles et communique le couple/le mouvement à l'axe de rotation (AXE) de la machine. Les grilles sont positionnées dans ce cadre de telle sorte que la grande génératrice des fentes est perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine. Le cadre comporte au moins 4 glissières de grilles parallèles à l'axe de rotation de la machine, soit deux glissières par guichet. (fig. 1) Définition des cames latérales (CAM) : ce sont deux cylindres coaxiaux à l'arbre de sortie placés de chaque côté du cadre rotatif (CAD) et munis d'une rainure circulaire extérieure qui assure en fin du demi cycle des déplacements de grilles latéraux, périodiques et alternatifs de la valeur d'une demi largeur de fente via chaque doigt (DOI) de grille. Grâce à ces cames sont réalisés : le maintien simultané en état ouvert � passant � et fermé � bloquant � des 2 guichets sur la majeure partie du demi cycle puis leurs inversions d'états sur la partie mineure de la fin du demi cycle. Les cames sont en général fixes mais leur positionnement angulaire par rapport à la direction du flux peut être réglable. Le cadre (CAD) tourne entre ces deux cames latérales (CAM) qui peuvent aussi servir à guider en rotation l'axe de sortie (AXE) de la machine. (fig. 1) Définition du masque aérodynamique (MSQ) : Le masque doit procurer au guichet �passant� un CX le plus faible possible en rendant aérodynamique (hydrodynamique) l'ensemble des surfaces exposées au flux lors de cet état. En rappel le guichet � passant � exerce un contre couple néfaste au fonctionnement du système et ferait perdre environ 50 % de la puissance maximale de la machine si ses surfaces exposées restaient planes. En rendant aérodynamiques (hydrodynamiques) les surfaces restantes exposées au flux et les entrées de fentes du guichet �passant �, cette perte de puissance maximale peut être ramenée à environ 10% avec l'utilisation d'un masque à profil adapté (par exemple en pointe pour assurer un CX voisin de 0,20). Le masque peut être rapporté (carénage) ou encore moulé/taillé dans la masse avec la grille. (fig. 1) RESUME DU FONCTIONNEMENT : Orienté travers au vent, le cadre de rotation est soumis au couple résultant de la forte poussée du guichet bloquant le flux et de la faible contre poussée du guichet � passant � profilé. Ce couple de rotation s'établit ainsi sur presque un demi tour (180° moins la valeur de l'angle de changement d'état des 2 guichets en opposition). A l'issue de l'alternance d'états des guichets en opposition, le même phénomène de création de couple, puis de changement d'état se reproduit sur 180 °. L'angle de changement d'état des guichets en opposition est appelé angle mort de la machine générique car aucun couple/aucune motricité n'est généré au cours de ce changement d'état. NOTA : l'inertie d'une machine � cadre à 2 guichets � doit lui permettre de franchir ces angles morts (1 par demi cycle, 2 par tours). L'accouplement de deux machines génériques avec leurs cadres respectifs calés à 90 °, ou la construction d'un seul cadre en croix à quatre guichets en opposition deux à deux et commandés par 2 cames latérales via 4 doigts permet d'obtenir un ensemble plus puissant sans aucun point mort. (fig 2) L'ajout d'un masque aérodynamique (hydrodynamique) permet de réduire au maximum la contre poussée exercée par le fluide sur le guichet passant, surtout en régime hydraulique immergé. (fig. 1) 15 AVANTAGES DE FONCTIONNEMENT : La plage admissible des vitesses de fluide est très large : de quelques mètres par secondes en régime hydraulique lent, à plusieurs dizaines (voire centaine) de mètres par seconde en alimentation éolienne de tempête (ou en flux gazeux canalisé). Le rapport entre la longueur et la largeur des grilles est totalement libre, de sorte que l'on peut réaliser une machine très longue et peu haute...ou 20 très courte et très haute...bref toute combinaison est envisageable pour l'adapter totalement au milieu qui la reçoit et à l'usage que l'on souhaite en faire. L'inversion du sens de rotation de la machine est possible durant le fonctionnement en jouant uniquement sur la position angulaire des 2 cames (déblocage simultané des cames, puis rotation de 180°de celles-ci, puis re-blocage dans leur nouvelle position). 25 L'axe de la machine peut aussi bien être en position horizontale qu'en position verticale. En position � axe verticale � l'ensemble peut devenir extrêmement réactif vis-à-vis d'éventuels changements/variations brusques de direction du fluide (surtout pour les flux éoliens) : ce sont alors les cames rotatives qui assurent le suivi angulaire du déphasage nécessaire du point de changement d'état, et non l'ensemble de la machine qui doit s'orienter au vent. 30 Le machine peut être enfermée dans un carter et /ou un système d'adduction/échappement type manche à air ou venturi orientable figeant/assurant le formatage préalable de la vitesse et/ou de la direction du flux entrant (et/ou du flux sortant) : il est alors techniquement possible de positionner le système dynamique de la machine dans un local spécifique (par exemple les soutes d'un navire ou un local enfoui dans le sol. Dans le cas d'une utilisation éolienne seul le système de 35 captage/adduction/échappement sera alors visible. La machine est modulable tant à la verticale qu'à l'horizontale : le couplage de nombreuses machines est réalisable selon une infinité de combinaisons y compris en tandem dans un tube/tuyère de section interne légèrement supérieure à la surface générique du cadre rotatif. REVENDICATIONS 1) Turbine polyvalente à guichets en états opposés caractérisée par le fait que la machine ne possède pas de traditionnelles pales/aubes/ailettes toutes identiques, définies par un volume monolithique et une forme/surface individuelle invariante, mais au moins un binôme de systèmes à 2 volumes composites, mobiles, changeants et toujours en opposition d'état. Le système composite qui remplace la pale (l'aube ou l'ailette) est appelé �guichet� (GUI) car il prend alternativement une position ouverte puis fermée, il est constitué de deux grilles (GRI) coulissantes munies de nombreuses fentes parallèles qui permettent d'organiser cycliquement des différentiels de surfaces exposées à une même veine de flux naturel d'alimentation. (fig. 1) 2) Turbine polyvalente à guichets en états opposés selon la revendication 1 caractérisée par le fait que chaque grille (GRI) est une plaque perforée de multiples fentes parallèles de largeur identiques, l'épaisseur de la matière restant entre chaque fente est identique à la largeur des fentes. Chaque grille possède sur l'une des ses extrémités un doigt de commande (DOI). (fig. 1) 3) Turbine polyvalente à guichets en états opposés selon la revendication 1 caractérisée par le fait que les guichets (GUI) sont supportés par un cadre rotatif (CAD) solidaire de l'axe de rotation de la machine (AXE), lequel axe est positionné travers au flux naturel d'alimentation. Les 2 guichets sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de rotation (AXE) et dans le même plan générique que celui du cadre rotatif (CAD). (fig. 1) 4) Turbine polyvalente à guichets en états opposés selon la revendication 3 caractérisée par le fait que le cadre rotatif (CAD) tourne entre deux cames latérales (CAM). Ce sont deux cylindres coaxiaux à l'arbre de sortie placés de chaque côté du cadre rotatif (CAD) et munis d'une rainure circulaire extérieure qui assure en fin du demi cycle des déplacements de grilles latéraux, périodiques et alternatifs de la valeur d'une demi largeur de fente via chaque doigt (DOl) de grille. Grâce à ces cames sont réalisés : le maintien simultané en état ouvert �passant� et fermé �bloquant� des 2 guichets sur la majeure partie du demi cycle puis leurs inversions d'états sur la partie mineure de la fin du demi cycle. (fig. 1) 5) Turbine polyvalente à guichets en états opposés selon la revendication 4 caractérisée par le fait que lors de chaque phase d'inversion d'états, les deux grilles (GRI) superposées d'un même guichet (GUI) coulissent relativement l'une par rapport à l'autre selon un débattement relatif de valeur identique à la largeur de fente. L'opposition d'états des guichet en début d'un nouveau demi cycle est ainsi pérennisé : un guichet � passant � ou les fentes coïncident et un guichet � bloquant � ou les fentes sont obstruées par la matière de la grille jumelle. (fig.l) 6) Turbine polyvalente à guichets en états opposés selon une quelconque revendication caractérisée par le fait qu'un masque (MSQ) doit assurer au guichet � passant � un CX le plus faible 35 possible en rendant aérodynamiques (hydrodynamiques) les surfaces restantes exposées au flux, et les entrées de fentes du guichet dans son état �passant� : profils en pointe par exemple. Le masque peut être rapporté - tel un carénage - ou encore être moulé/taillé dans la masse de la grille (fig. 1)