Brevet FR3081147A1 — publié le 20191122

Description Titre de l'invention : Dispositif destiné à être placé dans un fluide en mouvement pour générer une portance élevée sans apport d'énergie extérieure afin d'assurer la propulsion éolienne d'un navire. [0001] La présente invention se rapporte à un dispositif destiné à être placé dans un fluide en mouvement, tel que l'air afin de produire une force de portance élevée sans apport d'énergie extérieure, par utilisation de l'effet Magnus, utilisable pour assurer la propulsion éolienne d'un navire. [0002] Les dispositifs traditionnels permettant de générer une force de portance sans apport d'énergie extérieure, tels que les voiles des bateaux, ont des coefficients de portance souvent inférieurs à trois et demandent des surfaces trop grandes et encombrantes pour être pratiquement utilisables par des navires autres que les navires de plaisance. [0003] D'autre part, on connait les dispositifs utilisant l'effet Magnus pour générer une force de portance importante, tels que le rotor de Flettner qui fait tourner un cylindre circulaire dans un écoulement fluide entraînant des complications mécaniques dues aux vibrations et aux effets gyroscopiques générés par la rotation du cylindre, ou la « Turbovoile » de Cousteau principalement constituée d'un cylindre ovoïde qui aspire l'écoulement fluide au niveau du bord de fuite du côté de l'extrados entrainant des complications mécaniques dues aux vibrations générées par sa turbine aspirante située au sommet du cylindre. Ces dispositifs nécessitent une source d'énergie extérieure soit pour mettre le rotor en rotation, soit pour aspirer l'air dans le cas de la « Turbovoile », limitent l'usage du pont du navire pour stocker les marchandises ou les containers, et surtout leurs complications mécaniques limitent leur dimension et par conséquent leur capacité propulsive. [0004] La présente invention a pour objet la réalisation d'un dispositif permettant de produire une force de portance élevée sans apport d'énergie extérieure, sans pièces mobiles, mais en utilisant l'effet Magnus et en conservant l'usage du pont pour les marchandises ou les containers, destiné à être déplacé d'un bord à l'autre du navire pour le placer au vent du navire en navigation, et sans présenter les inconvénients d'encombrement des voiles classiques, ni les inconvénients mécaniques des cylindres utilisant l'effet Magnus. [0005] Dans ce but et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif destiné à être placé dans un fluide en mouvement selon une direction afin de produire une force de portance selon une deuxième direction transversale par rapport à cette première direction, ce dispositif étant d'abord caractérisé en ce qu'il comprend un corps définissant une aile qui s'étend suivant un axe longitudinal et qui est composée de pales 2 s'étendant suivant le même axe longitudinal, présentant chacune une section courbe suivant un plan transversal par rapport à cet axe longitudinal et définissant l'extrados et le bord d'attaque de l'aile pour créer un mouvement rotatif du fluide, d'un aileron s'étendant suivant le même axe longitudinal et définissant l'intrados et le bord de fuite de l'aile pour séparer l'écoulement fluide de l'intrados du mouvement rotatif du fluide de l'extrados, de lames reliant les pales et l'aileron selon un plan transversal par rapport à l'axe longitudinal, ce dispositif étant aussi caractérisé en ce qu'il comprend deux corps creux qui comprennent au moins une partie extérieure circulaire et une partie intérieure en spirale situées autour de l'axe longitudinal et un cône situé sur l'axe longitudinal, chaque corps creux est assemblé à une extrémité de l'aile et comporte une première ouverture centrale par rapport à l'axe longitudinal et circulaire située entre les pales et l'aileron, et une deuxième ouverture située au niveau du bord d'attaque de l'aile pour créer un mouvement elliptique vertical du fluide entre les deux corps creux, ce dispositif étant enfin caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'orientation de l'aile au vent du navire en la passant d'un bord à l'autre dudit navire, et d'inclinaison de l'aile, définissant une mâture de support de l'aile. [0006] La mâture du support, selon une variante de l'invention, peut avoir une forme de portique situé transversalement par rapport à l'axe longitudinal du navire, comprenant deux montants fixes par rapport à un corps du navire, une traverse s'étendant entre les montants, et une liaison mobile le long de la traverse et d'au moins une partie de chaque montant, ladite liaison mobile se termine sur chaque montant par une courbe pour assurer l'inclinaison de l'aile, de sorte que l'axe longitudinal de l'aile soit tangentiel à la courbe, ladite aile étant reliée à cette mâture de support par cette liaison mobile pour transférer l'aile d'un bord à l'autre du navire. [0007] La mâture du support, selon une autre variante de l'invention, peut avoir une forme de portique situé sur l'axe longitudinal du navire, comprenant deux montants fixes par rapport au corps du navire et un axe de rotation s'étendant entre les montants, orienté selon l'angle d'incidence donné par rapport à l'axe longitudinal du navire pour assurer l'inclinaison de l'aile, ladite aile étant reliée à cette mâture de support par cet axe pour pivoter l'aile d'un bord à l'autre du navire. [0008] Les dessins annexés illustrent l'invention : [0009] [fig.1] illustre de façon schématique, en section droite, une réalisation du corps, définissant une aile, composé de pales, d'un aileron, de lames et montrant les écoulements fluides rotatifs générés par les pales et les écoulements fluide sur l'intrados de l'aileron. [0010] [fig.21 illustre de façon schématique, en perspective, une réalisation du corps creux montrant notamment l'ouverture circulaire centrale et l'ouverture située devant le bord d'attaque de l'aile. 3 [0011] [fig.31 illustre de façon schématique, selon la même perspective que la figure 2, une section de l'intérieur du corps creux mettant en évidence le profil extérieur circulaire du corps creux et son profil intérieur en spirale. [0012] [fig.41 illustre de façon schématique, en perspective, le dispositif de l'invention pour montrer la circulation verticale du fluide. [0013] [fig.51 illustre de façon schématique, l'une des deux variantes de la mâture du support [0014] [fig.61 illustre de façon schématique, l'autre variante de la mâture du support [0015] [fig.71 illustre de façon simplifiée un navire équipé de l'invention. [0016] Le dispositif est destiné à être placé dans un fluide en mouvement. Si on considère que la vitesse (V) du fluide définit un premier axe horizontal (YY') et que la force de portance (F) définit un deuxième axe horizontal (ZZ') perpendiculaire au premier, le corps (10) du dispositif, définissant une aile, représenté sur le schéma de la figure 1 est défini par quatre quadrants : Le premier quadrant (10a) représente le bord d'attaque de l'aile, le deuxième quadrant (10b) représente l'extrados de l'aile, le troisième quadrant (10c) représente le bord de fuite de l'aile, et le quatrième quadrant (10d) représente l'intrados de l'aile. [0017] En référence à ce dessin et à titre d'exemple, le dispositif comporte un corps (10) dé- finissant une aile représentée sur la figure 1 qui s'étend suivant un axe longitudinal (XX') et qui est composée de trois pales (11), s'étendant suivant le même axe longitudinal (XX') et définissant l'extrados (10b) et le bord d'attaque (10a) de l'aile pour créer un mouvement rotatif du fluide (14), chaque pale (11) présentant une section courbe suivant un plan transversal par rapport à cet axe longitudinal (XX'), ladite courbe est définie depuis un bord d'attaque (11a) jusqu'au bord de fuite (11b), la corde de chaque pale est inclinée d'un angle d'incidence par rapport à la circulation du fluide autour de l'extrados de l'aile (10b) pour mettre en rotation le fluide. Du fait de l'angle d'incidence des pales, les bords d'attaque (11a) des pales (11) en section droite s'inscrivent dans un premier cercle, les bords de fuite (11b) des pales (11) en section droite s'inscrivent dans un second cercle. Le centre des deux cercles est identique et détermine l'emplacement de l'axe longitudinal (XX'). Les pales (11) sont séparées d'un espace égal à environ un tiers de la corde d'une pale. [0018] Ce corps (10) comprend de plus un aileron (12), s'étendant suivant le même axe lon- gitudinal (XX') et définissant l'intrados (10d) et le bord de fuite (10c) de l'aile pour séparer l'écoulement fluide de l'intrados (15) du mouvement rotatif du fluide de l'extrados (14), l'aileron (12) s'étend, dans une section transversale, selon une courbe définie depuis un bord d'attaque (12a) jusqu'à un bord de fuite (12b). Comme cela est représenté sur la figure 1, la courbe présente une inversion de courbure (12c), à proximité du bord de fuite (12b). Le profil de l'aileron (12) présente donc, du côté de l'intrados, une convexité entre le bord d'attaque (12a) et l'inversion de courbure (12c), 4 puis une concavité entre l'inversion de courbure (12c) et le bord de fuite (12b). La convexité sert à entretenir le mouvement rotatif du fluide de l'extrados (14) et la concavité sert à détacher les écoulements fluides de l'intrados et de l'extrados du corps de l'aile avec un minimum de turbulences, néfastes à la performance de l'aile (10). [0019] Ce corps (10) comprend de plus des lames (13) reliant les pales (11) et l'aileron (12) selon un plan transversal par rapport à l'axe longitudinal (XX'), chaque lame est semi-circulaire et s'étend du bord d'attaque (12a) de l'aileron jusqu'au bord de fuite de la pale la plus proche du bord de fuite de l'extrados de l'aile. Le rôle des lames (13) est de séparer les écoulements verticaux de fluide externe et interne générés par les deux corps creux (20) décrits ci-après. Il est à noter que la lame au milieu de l'aile par rapport à l'axe longitudinal (XX') a un profil allongé selon un plan transversal par rapport à l'axe longitudinal (XX') pour des raisons de solidité car elle est destinée à relier l'aile à la mâture du support (30). [0020] Ce dispositif étant aussi caractérisé en ce qu'il comprend deux corps creux (20), re- présentés sur les figures 2 et 3, qui comprennent au moins une partie extérieure circulaire (21) et une partie intérieure en spirale (22) situées autour de l'axe longitudinal (XX') et un cône (23) situé sur l'axe longitudinal (XX'), chaque corps creux (20) est assemblé à une extrémité de l'aile (10) et comporte une première ouverture centrale (24) par rapport à l'axe longitudinal (XX') et circulaire située entre les pales (11) et l'aileron (12), et une deuxième ouverture (25) située au niveau du bord d'attaque de l'aile pour créer un mouvement elliptique vertical (26) du fluide entre les deux corps creux (20), chaque corps creux (20) forme un cercle dont le centre est sur l'axe longitudinal (XX') du cercle défini par les pales (11) et dont la longueur du rayon est définie entre l'axe longitudinal (XX') et le bord de fuite de l'aileron (12b). [0021] Ce dispositif étant enfin caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'orientation de l'aile au vent du navire (40) en la passant d'un bord à l'autre dudit navire, et d'inclinaison de l'aile, définissant une mâture de support (30) de l'aile. [0022] Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 5, la mâture du support (30) a une forme de portique situé transversalement par rapport à l'axe longitudinal (Av/Ar) du navire (40), de sorte que Av indique l'avant du navire et Ar indique l'arrière du navire, comprenant deux montants fixes (31) par rapport à un corps du navire (40), une traverse (32) s'étendant entre les montants (31), et une liaison mobile (33) le long de la traverse (32) et d'au moins une partie de chaque montant (31), ladite liaison mobile (33) se termine sur chaque montant (31) par une courbe (33a) pour assurer l'inclinaison de l'aile, de sorte que l'axe longitudinal (XX') de l'aile (10) soit tangentiel à la courbe (33a), ladite aile étant reliée à cette mâture de support (30) par cette liaison mobile (33) pour transférer l'aile d'un bord à l'autre du navire (40). [0023] Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 6, la mâture du support (30) a une forme de portique situé sur l'axe longitudinal (Av/Ar) du navire (40), comprenant deux montants fixes (31) par rapport au corps du navire (40) et un axe de rotation (34) s'étendant entre les montants (31), orienté selon l'angle d'incidence (i) donné par rapport à l'axe longitudinal (Av/Ar) du navire (40) pour assurer l'inclinaison de l'aile, ladite aile étant reliée à cette mâture de support (30) par cet axe (34) pour pivoter l'aile d'un bord à l'autre du navire (40). [0024] L'invention mise en situation dans un fluide en mouvement selon une direction (V), a l'axe longitudinal (XX') de l'aile incliné d'un angle (i), approximativement d'une vingtaine de degrés, par rapport à la perpendiculaire de l'axe longitudinal (Av/Ar) du navire (40) selon la figure 7. Cette inclinaison montrée sur la figure 4 est ce qui permet de remplacer la rotation du rotor en se passant d'énergie extérieure : sur l'extrados de l'aile, le fluide s'écoule alors à la fois selon une circulation horizontale autour de l'aile, générée par les pales, en créant un effet Magnus, et à la fois selon une circulation verticale entre les deux corps creux situés à l'extrémité de l'aile. L'écoulement vertical du fluide passe par l'ouverture du corps creux du bas de l'aile, ouverture située au niveau du bord d'attaque de l'aile, remonte verticalement par l'ouverture centrale du même corps creux entre les pales et l'aileron et se mélange à la circulation horizontale du fluide qui est passée entre les pales. Le mélange des deux fluides forme un écoulement de fluides en forme de spirale hélicoïdale qui remonte toute la hauteur de l'aile suivant l'axe longitudinal pour passer par l'ouverture centrale du corps creux du haut de l'aile et s'évacuer par l'ouverture de ce même corps creux, située au niveau du bord d'attaque de l'aile. La quantité la plus importante du fluide circulant horizontalement et qui se retrouve à l'intérieur de l'aile après être passée entre les pales est ainsi évacuée vers le bord d'attaque de l'aile augmentant la vitesse initiale V du fluide et la force de portance F. Le reste du fluide de l'extrados qui circule horizontalement se dirige vers le bord de fuite de l'aileron. L'aileron empêche l'écoulement fluide sur l'intrados de l'aile de perturber les circulations de fluide du côté de l'extrados précédemment décrites. [0025] A titre d'exemple non limitatif, deux dispositifs selon l'invention ont chacun une aile d'une longueur longitudinale de 50 m, les ailes sont installées chacune sur un portique transversal par rapport à l'axe longitudinal du navire, lesdits portiques étant fixés respectivement à la proue et à la poupe d'un navire d'une longueur de 130 m et d'un port en charge de 10 500 tonnes. Les deux ailes assureront la propulsion dudit navire à une vitesse de 17 noeuds par un vent de 12 m/s (24 noeuds) dans le cas le plus favorable où l'angle fait par la direction selon laquelle se déplace le navire par rapport à la direction de l'écoulement du fluide est d'environ 90°. En comparaison, un navire possédant la même longueur et le même port en charge obtiendra la même vitesse avec quatre rotors de Flettner, chacun d'une longueur de 27 m et d'un diamètre de 4 m, en étant installés 6 sur le pont du navire à ses quatre extrémités. On notera que chaque rotor occupe une surface du pont bien supérieure à un montant du portique décrit dans l'invention. De plus, la longueur du dispositif selon l'invention n'est pas limitée par des contraintes mécaniques comme le cylindre du rotor de Flettner. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux transports maritimes de marchandises et de passagers qui doivent appliquer des normes anti-pollution atmosphériques de plus en plus strictes, et aux navires de pêche dont la rentabilité est très sensible aux variations de coût du pétrole.. 7 [Revendication 11 [Revendication 21