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TURBO AQUA-EOLIENNE UNIVERSELLLE contrarotative, munie d'un différentiel mécanique à sorties multiples.
Le brevet d'invention que j'ai déposé à l'Office de la Propriété Industrielle en
BELGIQUE au mois de septembre 1988, était relatif à l'éolienne contrarotative à action différentielle et à géométrie variable. Ce dépôt de brevet fut rapidement rendu public par un mémoire de fin d'études d'Ingénieur Industriel à Bruxelles en septembre 1988, et une réalisation élémentaire en collaboration avec les élèves des Arts et Métiers à Erquelinnes (BELGIQUE, avril 1989) publiée dans la presse en BELGIQUE.
L'apport de l'invention actuelle dans le cadre de mouvement par action différentielle due aux pressions de fluide en écoulement réside dans la création de systèmes totalement modulables qui sont composés des turbines mono-blocs (voir figure T) facilement empilables et solidarisées avec l'un ou l'autre axe en contrarotation horlogique ou antihorlogue. A cet aspect s'ajoute le concept de boîtiers de contrarotation aussi appelés"interfaces de contrarotation" (voir figure 9) séparant les éléments rotoriques en mouvement contrarotatif, et les séparant aussi du socle fixe.
Ce concept est alors à la base d'un nouveau phénomène contrôlé qui consiste en l'utilisation secondaire de l'effet de gravité ou massique transféré d'un ensemble rotorique vers le deuxième ensemble qui le porte au travers du boîtier de contrarotation (voir la disposition des éléments sur la figure 6). L'exploitation de ce transfert virtuel de masse par gravité amplifie le volant d'inertie du rotor porteur contrarotatif et l'ensemble du système se comporte tel un AMPLIFICATEUR MECANIQUE DE PUISSANCE. Aussi ces turbines sont capables de fonctionnement amphibien qualifié par le mot"HYDREOLE"ou turbines AQUA-EOLIENNES. Cette turbine fonctionne de façon invariable quelle que soit la direction (variable ou non) du fluide en écoulement.
Les différents mono-blocs sont fixés les uns aux autres à travers les semelles qui limitent la hauteur de chaque module (turbine, interface ou axe de transmission de puissance vers le différentiel mécanique a sortie multiple-voir figure 8-).
Cette machine modulable, de construction facile et peu onéreuse, connaît aussi l'amélioration de son rendement au travers du phénomène dit"TURBO" découlant de l'utilisation secondaire du fluide entrant et dévié vers les pales successifs. Les matériaux de récupération (adaptation par léger usinage et soudure des différentiels de ponts de transmission des véhicules et autres) réduisent considérablement le pnx de revient.
L'assymetne apparente fonctionnelle due à la disposition des pales en cascade sur chaque mono-bloc rotonque, crée de bouches de communication entre les pales successives permettant la génération supplémentaire des poussées aérodynamiques transversales positives. L'assymétne apparente n'est pas massique, elle assure le fonctionnement de la machine tel un tourniquet.
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L'asymétrie apparente de la disposition des pales de la turbo aqua-éolienne universelle en fait une roue du type à action différentielle et à flux transversal renforcé par un phénomène (de compression de fluide incident) assimilable à l'effet Magnius, et un phénomène de cyclone provenant de l'aspiration du fluide en écoulement vers l'intérieur de la machine en rotation.
Le flux transversal induit des couples aérodynamiques supplémentaires.
L'utilisation de surfaces ondulées à l'intérieur de la face creuse des pales, ou de surfaces en forme de coquilles fixées sur la face convexe ou en bout de pale, offre un meilleur rendement pour de faibles vitesses d'écoulement des fluides.
La turbo aqua-éolienne universelle est le prolongement des machines à axe vertical à traînée différentielle telle la ANEMONE ou le rotor SAVONIUS avec écartement des bords intérieurs ou la turbine LAFOND.
La turbo aqua-éolienne universelle peut se rapprocher du rotor DARRIEUS, tout en apportant la robustesse de construction sans recherche de l'impact de la portance, lorsque le diamètre de pale est choisi plus grand que la longueur (réf Le modèle Mathématique minimaliste à la page 2 : le"facteur de dimensionnement de la pale" peut avoir dans ce cas de valeurs supérieures à un).
Cette turbine n'est pas une machine à écrans de déviation d'air (de fluide) pour améliorer le rendement.
Le bilan énergétique totale de la turbo aqua-éolienne universelle voit la traînée
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différentielle augmentée par les effets secondaires décrits ci-dessus.
, L'accroissement de la surpression de la poussée aérodynamique entraîne celle de la vitesse angulaire (vitesse de rotation).
Le MODELE MATHEMATIQUE approché et minimaliste montre l'incidence de l'apport des effets secondaires cités ci-dessus.
Les forces aérodynamiques en présence, en fonction de vitesses relatives : (1) Fi = 1/2 p Su (V-v)-'Ci pale descendant le vent (2) F2 =1/2 p So (V + v) Cx2 pale remontant le vent
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(3) F3 = 1/2 p [x (D/2) !/2] u [ (V-v)-v ? C\] force secondaire due à la déviation des filets d'air à travers la turbine.
= 1/2 p [#(D/2)2 1/2]u (V - 2v)2 Cx1
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(4) F4 : négligeons l'effet MAGNIUS qui sera lié à la vitesse de rotation et à l'envergure de la machine. Le cylindre fictif de rayon "L" contient la turbine en rotation, et indique le début de la zone de compression des filets d'air en écoulement vers la turbine ; : négligeons aussi le phénomène d'aspiration ou l'effet cyclone à l'intérieur de la turbine à travers une sphère fictive de diamètre"D", où l'appel d'air est intensifié par l'effet de compression déjà cité.
Ces divers effets négligés transformeraient la formule (3) en"F4" : F4 = 1/2 p [x (D/2) 1/2] u (yV-2 v) 2 Cx] avec y > 1 La formule de la puissance développée par la turbine contiendra alors "F4" au
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lieu de"F3". Su = S < , = S/2 = LD Su = surface frontale de la pale descendant le vent (surface utile)
So = surface frontale de la pale remontant le vent (surface d'opposition)
S = surface frontale totale liée à l'envergure et au diamètre (= 2 L D)
Cx1 = coefficient aérodynamique du côté concave de la pale Cx2 = coefficient aérodynamique du côté convexe de la pale p = masse volumique de l'air
V = vitesse du vent incident v = vitesse linéaire (tangentielle) du centre de poussée de la pale rc = rayon de centre de poussée de la pale (rc = L/2)
u = indice pour identifier une surface utile et non d'opposition Y = facteur d'augmentation de"V'de l'écoulement dans la turbine [# zu = projection de la surface de passage transversal La puissance développée par la turbine : P = # F1v (1 = 1, 2, 3) P = 1/2 # Cx1 Su(V - v)2v - 1/2 # Cx2 So(V + v)2v + 1/2 p C (xiy/8) u (V-2 v) 2 v Soit F"le facteur d'apport d'énergie supplémentaire par flux transversal appelé facteur de dimensionnement des pales ou facteur de construction de turbine ou de la machine.
"#" est la projection de la surface de passage transversal rapportée sur la projection frontale de la surface de la pale descendant ou remontant le fluide, (Su = So = DL) r = (# D2/8)u / Su = # D2 / 8DL
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F= # D / 8L La puissance devient :
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P = 1/2 p Su v [Cx ! (V-v) ='.-Cx2 (V+v) + C r (v-2 v) 2] P = 1/2 pS=v {Cxi [ (V-v) +r (V-2v) -C (V+v} sachant que Su = So = S/2
P = 1/2 p (S/2) v {Cxl [(V-v)2+#(V-2v)2]-Cx2(V+v)2}
P = 1/4 p S v {Cx1[(V-v)2+#(V-2v)2]-Cx2(V+v)2} La vitesse optimum"-v opt"est déduite de : dP/dv = 0 dP/dv = 0
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3 (Qd(1+F)-C]v-4V[Cxt(1+20+Cjv + [C. i (1 + F)-C] V = 0 Soit :
a = 3 [Cxi (1 + 4 F)-C] b =-4V [Cxi (1 +2D+Cx2] < = [Cxi (i+r)-c] v vopt = [-b + (-) (b-4ac)]/2a La puissance aux arbres des rotors est transmise aux machines réceptrices à l'aide d'un différentiel mécanique à sorties multiples.
Le différentiel mécanique à sorties multiples est un système de transmission de puissance offrant une grande flexibilité dans le choix des accouplements. Le dispositif fonctionne tel un embrayage, avec deux entrées de puissance possibles en contrarotatif et à une entrée dans le cas d'un système noncontrarotatif Ce dispositif permet le renvoi de la puissance d'axe-moteurs vers un ou plusieurs axe-récepteurs disposés radialement entre les plateaux, ou, vers un ou plusieurs axe-récepteurs disposés axialement entre plateaux de différents diamètres. Le mécanisme travaille par friction ou par engrènement.
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TURBO AQUA-EOLIENNE UNIVERSELLLE contra-rotating, fitted with a mechanical differential with multiple outputs.
The invention patent that I filed with the Industrial Property Office in
BELGIUM in September 1988, related to the counter-rotating wind turbine with differential action and variable geometry. This patent deposit was quickly made public by an end-of-studies dissertation of Industrial Engineer in Brussels in September 1988, and an elementary realization in collaboration with the students of Arts and Crafts in Erquelinnes (BELGIUM, April 1989) published in the press in BELGIUM.
The contribution of the present invention in the context of movement by differential action due to the pressures of flowing fluid resides in the creation of totally modular systems which are composed of mono-block turbines (see FIG. T) easily stackable and secured to the '' one or the other axis in clockwise or anti-clockwork contra-rotation. To this aspect is added the concept of contrarotation boxes also called "contrarotation interfaces" (see FIG. 9) separating the rotor elements in counter-rotating movement, and also separating them from the fixed base.
This concept is then the basis of a new controlled phenomenon which consists in the secondary use of the gravity or mass effect transferred from a rotor assembly to the second assembly which carries it through the counter-rotation housing (see the arrangement of the elements in Figure 6). The exploitation of this virtual mass transfer by gravity amplifies the flywheel of the counter-rotating carrier rotor and the whole system behaves like a MECHANICAL POWER AMPLIFIER. Also these turbines are capable of amphibian functioning qualified by the word "HYDREOLE" or AQUA-EOLIENNES turbines. This turbine operates invariably regardless of the direction (variable or not) of the flowing fluid.
The different mono-blocks are fixed to each other through the flanges which limit the height of each module (turbine, interface or axis of power transmission to the mechanical differential with multiple output-see Figure 8-).
This modular machine, of easy and inexpensive construction, also knows the improvement of its output through the phenomenon known as "TURBO" resulting from the secondary use of the incoming fluid and diverted towards the successive blades. Recovered materials (adaptation by light machining and welding of differentials in vehicle and other transmission axles) considerably reduce the cost price.
The apparent functional asymmetry due to the arrangement of the cascading blades on each rotonic mono-block, creates mouths of communication between the successive blades allowing the additional generation of positive transverse aerodynamic thrusts. The apparent asymmetry is not mass, it ensures the functioning of the machine like a turnstile.
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The apparent asymmetry of the arrangement of the blades of the universal aqua-wind turbine makes it a wheel of the type with differential action and transverse flow reinforced by a phenomenon (of compression of incident fluid) comparable to the Magnius effect, and a phenomenon cyclone from the suction of the flowing fluid towards the interior of the rotating machine.
The transverse flow induces additional aerodynamic torques.
The use of corrugated surfaces inside the hollow face of the blades, or of shell-shaped surfaces fixed on the convex face or at the end of the blade, offers a better performance for low fluid flow rates.
The universal aqua-wind turbine is an extension of machines with a vertical axis with differential drag such as the ANEMONE or the SAVONIUS rotor with internal edge spacing or the LAFOND turbine.
The universal aqua-wind turbine can approach the DARRIEUS rotor, while providing robust construction without seeking the impact of lift, when the blade diameter is chosen larger than the length (ref The minimalist Mathematical model to the page 2: the "blade dimensioning factor" can have values greater than one in this case).
This turbine is not an air (fluid) deflection screen machine to improve efficiency.
The total energy balance of the universal aqua-wind turbine sees the drag
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differential increased by the side effects described above.
, The increase in the overpressure of the aerodynamic thrust leads to that of the angular speed (speed of rotation).
The approximate and minimalist MATHEMATICAL MODEL shows the incidence of the contribution of the side effects mentioned above.
The aerodynamic forces present, as a function of relative speeds: (1) Fi = 1/2 p Su (Vv) - 'Ci blade going down the wind (2) F2 = 1/2 p So (V + v) Cx2 blade going up the wind
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(3) F3 = 1/2 p [x (D / 2)! / 2] u [(V-v) -v? C \] secondary force due to the deviation of the air streams through the turbine.
= 1/2 p [# (D / 2) 2 1/2] u (V - 2v) 2 Cx1
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(4) F4: let us neglect the MAGNIUS effect which will be linked to the speed of rotation and the span of the machine. The fictitious cylinder of radius "L" contains the rotating turbine, and indicates the beginning of the compression zone of the air streams flowing towards the turbine; : let us also neglect the phenomenon of aspiration or the cyclone effect inside the turbine through a fictitious sphere of diameter "D", where the air call is intensified by the compression effect already mentioned.
These various neglected effects would transform formula (3) into "F4": F4 = 1/2 p [x (D / 2) 1/2] u (yV-2 v) 2 Cx] with y> 1 The formula of the power developed by the turbine will then contain "F4" at
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instead of "F3". Su = S <, = S / 2 = LD Su = frontal surface of the windward blade (useful surface)
So = frontal surface of the windward blade (opposition surface)
S = total frontal area related to the span and the diameter (= 2 L D)
Cx1 = aerodynamic coefficient on the concave side of the blade Cx2 = aerodynamic coefficient on the convex side of the blade p = density of air
V = incident wind speed v = linear (tangential) speed of the blade's center of thrust rc = radius of the blade's center of thrust (rc = L / 2)
u = index to identify a useful surface and not of opposition Y = factor of increase of "V 'of the flow in the turbine [# zu = projection of the transverse passage surface The power developed by the turbine: P = # F1v (1 = 1, 2, 3) P = 1/2 # Cx1 Su (V - v) 2v - 1/2 # Cx2 So (V + v) 2v + 1/2 p C (xiy / 8) u (V-2 v) 2 v Let F "be the additional energy input factor by transverse flow called the blade design factor or the turbine or machine construction factor.
"#" is the projection of the transverse passage surface reported on the frontal projection of the surface of the blade descending or rising the fluid, (Su = So = DL) r = (# D2 / 8) u / Su = # D2 / 8DL
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F = # D / 8L The power becomes:
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P = 1/2 p Su v [Cx! (Vv) = '.- Cx2 (V + v) + C r (v-2 v) 2] P = 1/2 pS = v {Cxi [(Vv) + r (V-2v) -C (V + v} knowing that Su = So = S / 2
P = 1/2 p (S / 2) v {Cxl [(V-v) 2 + # (V-2v) 2] -Cx2 (V + v) 2}
P = 1/4 p S v {Cx1 [(Vv) 2 + # (V-2v) 2] -Cx2 (V + v) 2} The optimum speed "-v opt" is deduced from: dP / dv = 0 dP / dv = 0
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3 (Qd (1 + F) -C] v-4V [Cxt (1 + 20 + Cjv + [C. i (1 + F) -C] V = 0 Let:
a = 3 [Cxi (1 + 4 F) -C] b = -4V [Cxi (1 + 2D + Cx2] <= [Cxi (i + r) -c] v vopt = [-b + (-) ( b-4ac)] / 2a The power to the rotor shafts is transmitted to the receiving machines using a mechanical differential with multiple outputs.
The mechanical differential with multiple outputs is a power transmission system offering great flexibility in the choice of couplings. The device operates like a clutch, with two possible power inputs in the counter-rotating and one input in the case of a non-counter-rotating system. This device allows the power to be returned from the motor-axes to one or more receiving-axes arranged radially between the plates, or, towards one or more receiving axes arranged axially between plates of different diameters. The mechanism works by friction or by meshing.