Brevet FR2942976A1 — publié le 20100917

-1- DISPOSITIF DE PROJECTION DE FLUIDE PAR EFFET DE SOUFFLE D'AIR Domaine Technique de l'invention : La présente invention concerne un dispositif destiné à améliorer la capacité de projection de fluides divers et en particulier d'eau, par effet de souffle d'air, pour des applications destinées principalement au domaine de la protection civile, mais aussi de la protection de l'environnement et de l'agriculture. 10 Le besoin de projeter des fluides divers et en particulier de l'eau, en quantité plus ou moins grande, en gouttelettes plus ou moins fines à des distances plus ou moins importantes, en utilisant le souffle d'une colonne d'air, se retrouve dans différentes applications. En particulier dans des applications de lutte contre l'incendie par effet de la brumisation à la fois pour éteindre le feu mais aussi pour 15 protéger ou refroidir, dans des applications de protection de l'environnement pour des actions de protection ou de décontamination ou tout simplement dans des applications agricoles pour de l'arrosage ou l'épandage de produits phytosanitaires. Etat de la technique antérieure faisant ressortir le problème technique posé : Dans tous les cas, la technique repose d'abord, sur l'idée de pulvériser le fluide à travers un ou des injecteurs disposés généralement en couronne et placés en périphérie et dans le flux d'air créé par un ventilateur plus ou moins puissant, de telle sorte que les gouttelettes qui en résultent soient suffisamment fines pour se mélanger au souffle d'air qui les porte. Pour pulvériser le fluide en plus ou moins fines gouttelettes, les techniques généralement employées sont des techniques hydromécaniques et pour créer le souffle d'air, le principe généralement employé, est celui des ventilateurs carénés qui créent des débits d'air plus ou moins importants dans des conditions de très faible pression. 30 La technique de pulvérisation du fluide, généralement retenue, repose principalement sur l'effet de fractionnement mécanique qui se crée au niveau du gicleur par l'effet de la pression que l'on exerce en entrée du gicleur sur le fluide et qui dépend aussi de la géométrie du trou de passage. Plus le débit est important et plus il faut un effort conséquent pour assurer le passage. Cela se traduit par 35 des besoins en puissance de motorisation des pompes et des difficultés de garantir le bon fonctionnement à des pressions importantes pour des débits conséquents. 20 25 2942976 -2- La technique de mélange de l'air et du fluide est généralement des plus triviales et consiste à répartir le mieux possible les injecteurs de pulvérisation du fluide en périphérie de la carène dans le flux d'air éjecté de telle sorte à harmoniser le débit de fluide éjecté et laisser principalement ce flux d'air assurer cette fonction de mélange. 5 La présente invention a pour objectifs : Premièrement, d'améliorer les conditions de pulvérisation de telle sorte à obtenir un fractionnement du fluide en gouttelettes suffisamment fines avec un moindre besoin de puissance hydraulique. Deuxièmement, de parvenir à créer un pré-mélange air/fluide qui tende à favoriser un mélange final beaucoup plus intime avec la colonne d'air qui transporte le fluide. Exposé de l'invention permettant la compréhension de la solution technique apportée au problème technique posé : Le dispositif, selon l'invention, permet de répondre aux différents objectifs recherchés qui apportent à l'état actuel de la technique de projection des fluides par effet de souffle d'air, une amélioration conséquente. Il comporte en effet selon une première caractéristique, un générateur de flux d'air basse pression alimenté par l'air ambiant (6) qui a pour fonction la création du souffle d'air comprimé de haut débit dans une veine aérodynamique et qui est composé : d'une soufflante dimensionnée (1) tournant à haut régime par l'effet d'un moteur ou d'un turbomoteur (17) intégrée dans un corps central (2) associée à des redresseurs de flux fixes ou mobiles (3) qui sont destinés à assurer une évacuation du flux d'air sans giration et un carénage parfaitement adapté (4) créant une veine aérodynamique (5) par rapport au corps central (2), tout l'ensemble étant dimensionné de telle sorte qu'en fonctionnement nominal, la pression de l'air en sortie de veine, créé par la rotation de la soufflante, soit au moins supérieure de 15 % à la pression d'entrée en (6) (qui est la pression atmosphérique de l'air dans les conditions de fonctionnement). Il comporte selon une seconde caractéristique, une ou plusieurs chambres de pré-mélange (7) disposées en sortie de la veine aérodynamique et qui ont pour fonction d'assurer la pulvérisation et le pré-mélange air/fluide. Chaque chambre, est alimentée en air comprimé par piquage du flux à l'aide d'une buse placée dans et en sortie de la veine aérodynamique (8) et chaque chambre est en surpression par rapport à l'air extérieur ambiant d'au moins 15 %, en fonctionnement nominal. Chaque chambre, selon une autre caractéristique, est alimentée en fluide par un conduit (9) au bout duquel est fixé un gicleur faisant restriction (10) qui débouche dans un tourbilloneur 2942976 -3- aérodynamique (Swirler) (11) destiné à compléter la pulvérisation du fluide et à assurer le mélange de l'air de piquage au fluide pulvérisé par le gicleur de telle sorte que le mélange s'éjecte par un cône (12) qui débouche à l'air libre dans le souffle d'air (13). 5 On connaît les propriétés des tourbilloneurs aérodynamiques (Swirler) (11) qui ont pour fonction de compléter la pulvérisation du fluide assurée en premier lieu hydro-mécaniquement par le gicleur (10) du fait de la pression qui est appliquée au fluide dans le conduit (9). Le principe de fonctionnement repose sur l'effet de l'air comprimé contenu dans la chambre (7) qui 10 est piqué par une buse dans la veine aérodynamique (8) et qui s'évacue vers l'extérieur en passant par deux conduits annulaires à fentes orientées (14) et (15). Le premier faisant tourner une partie de l'air dans un sens autour du fluide pulvérisé et le second faisant tourner le reste de l'air dans l'autre sens autour d'un venturi (16). Les masses d'air mises en mouvement contraire, autour du fluide pulvérisé par le gicleur, ont deux effets conjugués : un effet de cisaillement qui casse encore plus 15 les gouttelettes et les affine et un effet aérodynamique qui réalise dans le cône d'éjection (12) un pré-mélange air/fluide qui va favoriser encore plus le mélange final. Le dispositif selon l'invention ne peut fonctionner, si la pression de l'air dans la veine aérodynamique n'assure pas un différentiel de pression suffisant, dans la ou les chambres de pré- 20 mélange, avec l'air extérieur. Comme ces chambres sont alimentées par des buses qui font un piquage d'air en sortie de la veine aérodynamique, une des caractéristiques selon l'invention est donc de faire en sorte que le générateur de flux d'air dans la veine aérodynamique assure cette pression suffisante, qui doit être au moins de 15% supérieure à la pression extérieure de l'air ambiant en fonctionnement nominal. 25 Du fait du montage décrit, une caractéristique selon l'invention, est celle de pouvoir obtenir, à une pression donnée de la veine aérodynamique, des gouttelettes plus fines que celles obtenues habituellement dans un montage traditionnel avec la pression du fluide généralement appliquée ou inversement dans les mêmes conditions de pression de la veine aérodynamique, d'obtenir la taille 30 des gouttelettes habituelles avec un fluide à pression bien plus basse que la pression généralement appliquée donc exigeant moins de puissance hydraulique pour y parvenir. Une autre caractéristique, selon l'invention, est de favoriser le mélange final d'une manière importante permettant ainsi à l'effet de souffle de porter plus intimement et plus loin les 35 gouttelettes de fluide. Brève présentation des figures : Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1, représente en coupe et à plat, le montage complet du dispositif selon l'invention. On y trouve les éléments essentiels que sont : le corps central (2), la soufflante (ou compresseur basse pression) (1), les redresseurs de flux (3), le carénage (4), la veine aérodynamique (5), une chambre de pré-mélange (7) avec sa buse d'entrée d'air de piquage (8) et son cône d'éjection (12). La figure 2, représente en coupe et dans l'espace et en détail le dispositif d'un injecteur aérodynamique avec son gicleur et son tourbilloneur (Swirler) placés dans une chambre de pré-mélange, (7). Cette figure détaille et permet d'illustrer le principe de cisaillement et de mélange, que provoque le mouvement de l'air comprimé qui s'échappe à l'air libre, autour de la pulvérisation du fluide créée par le gicleur. La figure 3, représente en coupe et dans l'espace un mode de réalisation à partir d'un réacteur double flux. La veine secondaire d'un réacteur double flux représente la veine idéale en surpression pour installer en sortie, les chambres de pré-mélange équipées de leurs cônes qui piquent une partie du flux de la veine secondaire et éjectent le fluide pulvérisé et pré-mélangé dans le souffle résultant du flux principal de la veine secondaire. Exposé détaillé d'au moins un mode de réalisation de l'invention : La difficulté de réalisation du dispositif, selon l'invention, réside surtout dans la capacité d'assurer dans la veine aérodynamique, une pression suffisante et une bonne directivité d'un flux d'air de grand débit, pour le bon fonctionnement des chambres de pré-mélange qui sont alimentées en air comprimé par piquage en sortie de la veine. Dans un mode de réalisation selon la figure 3, le générateur d'air basse pression reprend l'architecture traditionnelle d'un réacteur double flux et est constitué d'un corps central (2) qui supporte une carène (4) créant ainsi une veine aérodynamique soigneusement dessinée et dimensionnée dans le respect des règles Aérodynamiques (5). Dans le corps central, en partie arrière (17) est installé un turbomoteur. Ce turbomoteur est relié par les dispositifs mécaniques à une soufflante (1) placée en partie avant du corps central, qui comporte des aubes de forme aérodynamique adaptée et qui tourne à grande vitesse dans l'axe général de l'ensemble. Le souffle d'air créé par la rotation de la soufflante est appelé flux principal. Du fait des lois Thermodynamiques, le flux principal en sortie de la soufflante est porté à une pression plus grande 4 2942976 -5- que la pression d'entrée d'air (6) , qui est à la pression atmosphérique, d'au minimum 15 % et subit une élévation de température de quelques dizaines de degrés par rapport à la température d'entrée. En aval de la soufflante et à une distance adaptée, est disposée une grille de lamelles fixes ou 5 mobiles dans la veine principale (3), ces lamelles ont des profils aérodynamiques soigneusement adaptés et ont une fonction de redresseur de flux. Le flux principal en sortie de la soufflante a en effet, un mouvement de giration dans l'axe de la veine qu'il convient de contrecarrer. La grille des redresseurs fait l'effet de ramener le flux principal dans l'axe de la veine, assurant ainsi un souffle d'air directif et laminaire, sans trop nuire à la pression ni à la vitesse générale du flux principal 10 produit par la soufflante. En aval des redresseurs est disposée, dans le corps central, une entrée d'air annulaire qui prélève une part du flux d'air principal pour alimenter le fonctionnement du Turbomoteur (18), l'air qui est dirigé dans cette entrée d'air est appelé air primaire. L'air restant est dirigé vers l'éjection et est 15 appelé air secondaire et la veine qui le conduit est dite veine secondaire, il représente en général 40 à 80% du flux principal et est éjecté à des vitesses de l'ordre de 150 à 250 m/s. Les conditions qui s'établissent dans la veine secondaire, au régime nominal, en termes, de pression totale du flux, de température et de directivité, sont celles qui conviennent au bon 20 fonctionnement des chambres de pré-mélange. Dans le mode de réalisation, selon l'invention, on dispose les buses de piquage des chambres de pré-mélange, dans le flux secondaire au droit et en sortie de veine (8), de telle sorte qu'elles ne gênent pas l'éjection du flux secondaire résiduel, qui peut représenter jusqu'à 80% du total du flux secondaire et qui constitue une fois éjecté à l'air libre le souffle d'air qui dilue et diffuse les gouttelettes de fluide. 25 En conséquence, dans le mode de réalisation selon l'invention, on s'attachera à disposer les cônes d'éjection des chambres de pré-mélange (12) dans le flux secondaire résiduel. Enfin, les gaz d'échappement du turbomoteur seront éjectés par une tuyère située en partie arrière 30 du corps central, concentrique et au coeur du flux secondaire résiduel (19). L'expérience montre que ces gaz perdent très vite de leur vitesse et surtout de leur température et s'ils ne représentent que moins de 30% de la masse d'air éjectée, ils ne nuiront pas significativement à la diffusion des gouttelettes portées par le souffle d'air mais favoriseront par contre la vitesse générale du souffle d'air et amélioreront la distance de portée. 35 Le dispositif, selon l'invention, est particulièrement destiné aux applications du domaine de la protection civile, mais aussi de la protection de l'environnement et de l'agriculture. REVENDICATIONS1) Dispositif de projection de fluide par effet de souffle d'air caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de flux d'air comprimé de haut débit, alimenté par l'air ambiant (6) composé, d'une soufflante (1) entrainée par un moteur ou un turbomoteur (17) intégré dans un corps central (2), de redresseurs de flux fixes ou mobiles (3) placés en aval de la soufflante, d'un carénage (4) créant une veine aérodynamique (5) par rapport au corps central (2) et d'une ou plusieurs chambres de pré-mélange (7) destinées à pulvériser et pré-mélanger le fluide à projeter avant de le diffuser à travers des cônes (12) par effet de souffle d'air. 2) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que tout l'ensemble soit dessiné et dimensionné de telle sorte que le flux d'air comprimé, créé dans la veine aérodynamique (5) par la rotation de la soufflante, soit en surpression par rapport à l'air extérieur ambiant d'au moins 15% en fonctionnement nominal. 3) Dispositif, selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé par le fait que les buses de piquage d'air (8) de ou des chambres de pré-mélange, sont disposées dans le flux de la veine aérodynamique, en sortie de cette veine, de telle sorte à ce que la ou les chambres soient alimentées en air comprimé à une pression au moins supérieure à 15% de l'air extérieur ambiant. 4) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque chambre de pré-mélange (7) est équipée d'un conduit d'alimentation du fluide à projeter (9) dont l'orifice d'évacuation porte un gicleur (10) lequel débouche dans un tourbilloneur aérodynamique (Swirler) (11) disposé en fond de chambre dont la fonction connue est de compléter la pulvérisation du gicleur par cisaillement aérodynamique et d'assurer un pré-mélange air/fluide avant de l'éjecter à l'air libre. 5) Dispositif, selon la revendication 1 et la revendication 4, caractérisé par le fait que le pré-mélange s'éjecte par un cône (12) qui débouche à l'air libre dans le souffle d'air. 6) Dispositif, selon toutes les revendications, caractérisé par le fait de pouvoir obtenir, à une pression donnée de la veine aérodynamique, des gouttelettes plus fines que celles obtenues habituellement dans un montage traditionnel avec la pression du fluide généralement appliquée ou inversement dans les mêmes conditions de pression de la veine aérodynamique, d'obtenir la taille des gouttelettes habituelles avec un fluide à pression bien plus basse que la pression généralement appliquée donc exigeant moins de puissance hydraulique pour y parvenir. 7) Dispositif, selon toutes les revendications, caractérisé par le fait de favoriser le mélange final fluide/air d'une manière importante permettant ainsi à l'effet de souffle de porter 35 plus intimement et plus loin les gouttelettes de fluide.