FR2790512A1 - Turbomachine compacte a courbures d'aubes mobiles alternees (en vague) et applications (aeronautiques, terrestres, marines) - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un perfectionnement apporté aux turbomachines de la lignée EGGLETON - DELPLANQUE, déposée par brevets EGGLETON GB - A - 780. 240 et DELPLANQUE (2538447, 2552491, 2557920 et 2706944), ainsi que TECHNOFAN & FAURY (2633336), etc, basées sur un profil d'aubes mobiles en vague, profil utilisé maintenant dans un autre domaine, celui des fuselages d'avion, tel le fuselage de l'avion sans pilote Global Hawk de Teledyne Ryan. L'invention consiste en un perfectionnement apporté au profil des aubes mobiles préalablement brevetée, au moyen d'un vrillage, pour acquérir une meilleure adaptation aérodynamique dans le cadre de ce type de machines très particulier, tout en améliorant les caractéristiques de masse et de prix de revient de ce type de turbomachineLes utilisations de l'invention à considérer concernent les turbomachines marines, les turbomachines terrestres et les turbomachines aéronautiques, et leurs applications comme par exemple le missile Polyphem de l'Aérospatiale, l'avion cargo FLA ou les véhicules à propulsion électrique pour la fourniture du courant par turbine à gaz, ou encore les pompes de relèvement du pétrole dans les puits de pétrole, en raison de sa simplicité par rapport à d'autres

Description

I- La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux

turbomachines, c'est à dire aux machines échangeant des forces aérodynamiques entre un fluide et des surfaces mécaniques (pales, aubes,

aubages, ailettes, etc) portées par une roue mobile autour d'un axe.

Précisément, la présente invention concerne un perfectionnement apporté a une famille particulière de turbomachines, basée sur des profils

d'aubes alternatifs en vague, initialisée par Eggleton (brevet GB - A -

780.240), puis améliorée par Delplanque (brevets en 1982, 1983, 1984 et 1993) de façon indépendante, et reprise par Technofan & Faury (brevet en 1988), etc. La présente invention décrit, dans le cadre de cette famille, une nouvelle organisation des surfaces mécaniques mobiles en vague agissant par la rotation sur le milieu fluide, en permettant d'extraire du fluide une puissance mécanique renforcée sous forme d'un couple sur un arbre dans le cas d'une turbine, ou au contraire d'apporter au fluide une énergie

renforcée, tout en apportant une nouvelle souplesse de conception.

L'invention s'applique aux compresseurs axiaux, aux compresseurs centrifuges, aux compresseurs mixtes ou diagonaux, aux ventilateurs, aux turbines centrifuges, centripètes ou mixtes, et aux turbopompes, y compris les turbopompes d'extraction du pétrole dans les puits de pétrole, aux turbines hydrauliques, ainsi qu'aux machines, aéronautiques (moteurs d'avion, turbines à gaz d'hélicoptères, ensembles propulsifs de missile), terrestres (turbines à gaz, turbines à vapeur, turbines hydrauliques pour fourniture de puissance électrique), marines (moteurs marins, turbines à gaz marines), et de façon plus générale à toute machinerie ou équipement utilisant au moins une turbomachine

telle que décrite plus loin.

La technique qui est le plus communément employé aujourd'hui dans les moteurs d'avion modernes civils et militaires, dans les turbines à gaz d'hélicoptères ou de fourniture de puissance électrique, dans les turbopompes axiales ou centrifuges à plusieurs étages, les pompes, les turbines à vapeur, etc, appartient à une autre famille d'origine plus ancienne. Alors que dans la famille Eggleton & Delplanque, il n'est pas fait appel à des redresseurs inter - étages pour constituer une machine à plusieurs étages, l'emploi de redresseurs étant limité aux entrées et aux sorties des profils en vague, les turbomachines en service les plus nombreuses aujourd'hui, sont basées sur une architecture différente -2 basée sur un empilage de roues alternativement fixes et mobiles, les profils étant le plus souvent à une courbure, comme le sont les profils

des ailes d'avion.

Tous les gros compresseurs de moteurs d'avion d'aujourd'hui sont batis sur cette conception ancienne qui a fait ses preuves. Cette conception remarquable a servi à propulser l'avion allemand Messerschmitt 262, et l'avion anglais Gloster Meteor à la fin de la seconde guerre mondiale. Après la guerre, elle a fait la prospérité de l'aéronautique militaire et civile. On lui doit le succès des transports aéronautiques transatlantiques et transcontinentaux. Tous les turbomoteurs d'avions modernes sont l'aboutissement de cette même

lignée, sans cesse améliorée.

Une autre lignée, qui apparaît maintenant ici ou là, d'architecture

plus simple, appartient au brevet anglais Frederick Eggleton GB - A -

780.240 publié le 31 Juillet 1957 (dépôt NI 26689/55 du 19 Septembre 1955). Pour la première fois, en 1955, il est envisagé, par un ressortissant anglais, Frederick Eggleton, de bâtir un compresseur axial, ou une turbine axiale, en redressant de façon interne à l'équipage mobile, donc sans redresseurs fixes inter - étages mobiles, le flux de fluide. Pour la première fois, il est proposé, par Eggleton, de simplifier la réalisation mécanique des compresseurs axiaux et des turbines axiales en constituant, à l'aide d'une alternance de profils mobiles accolés les uns aux autres, tantôt présentant une courbure latérale dans un sens, tantôt une courbure latérale dans l'autre sens, une machine à plusieurs étages ayant les mêmes performances thermodynamiques qu'une machine constituée d'une alternance de roues fixes et de roues mobiles, mais plus simple à réaliser. Quand, dans un même ensemble compresseur, l'empilage de roues mobiles et de redresseurs intercalaires fixes oblige à des prouesses d'imagination pour faciliter le montage (carter en deux demi - coquilles, redresseurs en deux demi - coquilles, disques boulonnés ou assemblés par tirants, etc), la solution proposée par Eggleton, et indépendamment par Delplanque, restitue des degrés de liberté aux concepteurs. Eggleton justifie son choix par l'évidence pour lui d'obtenir la compression ou la détente dans sa machine, en faisant suivre au fluide, dans son trajet dans la roue mobile, un chemin alternatif identique à celui que l'on obtient, dans les turbomachines les plus modernes, par l'usage d'aubes fixes de redressement entre chacune des roues mobiles. Aucune 3 - preuve physique de la validité technique, aucun résultat d'essai n'est apporté par Eggleton à l'appui de son brevet pour en conforter la valeur technique, aucun développement n'est porté à la connaissance du public, et il est vraisemblable que le brevet Eggleton serait resté dans l'oubli, s'il n'y avait eu le véritable hasard du dépôt du brevet Delplanque FR 82 21689, qui a permis de donner une nouvelle vie à cette lignée de

machines et de la perfectionner.

Au début des années 1970, l'expansion des marchés aéronautiques amenait à une réflexion générale sur les problèmes de

fiabilité, de maintenabilité et de coût. Le brevet DELPLANQUE FR -

82 21689 déposé le 23 Décembre 1982 (délivrance le 11 Juillet 1986. N International 2 538 447) s'inscrit dans ce contexte, avec en plus, une volonté personnelle de l'auteur de participer à l'évolution générale des turbomachines en leur apportant un jeu de solutions mécaniques élégantes et nouvelles. Ingénieur participant à la mise au point du turboréacteur Snecma M53P2, avec une connaissance approfondie des besoins en qualité des moteurs, avec une vue globale des problèmes rencontrés à la mise au point des moteurs d'avion, machines infiniment complexes, diplômé de l'Ecole Centrale de Paris, donc avec une culture générale technique très large et très ancienne, une inventivité ancienne et reconnue dans le domaine du guidage et de la conception de missiles et de systèmes associés, il était possible de faire un retour sur le Théorème

d'Euler et ses applications dans les moteurs d'avion pour les simplifier.

On comprendra mieux l'origine du brevet Delplanque FR 82 21689, et les dépôts successifs d'autres brevets pour s'éloigner du brevet Eggleton GB A - 780.240 apparu comme pertinent au rapport de recherche du

brevet Delplanque FR 82 21689.

Le dépôt du certificat d'addition DELPLANQUE FR - 83 15365, le 27 Septembre 1983 (délivrance le 10 Octobre 1986. N International 2 552 491) a été fait pour tenir compte de cette pertinence. Eggleton précisait que l'étanchéité devait être parfaite entre les bords d'attaque et

les bords de fuite des profils rotor et des profils équivalents stator.

Eggleton précisait de plus, dans sa revendication 1, que l'espace entre deux rangées d'aubes mobiles mitoyennes était continu, et c'est bien ce qui apparaît dans les dessins associés à ce brevet. Le certificat d'addition DELPLANQUE FR - 83 15365 prenait le contre - pied de cette limitation fonctionnelle, en rationalisant au contraire des jeux dans -4 la continuité des lignes d'aubes dans le sens de la progression du fluide, de l'entrée à la sortie pour les roues de compresseurs, de pompes ou de

turbines dans cette lignée.

Le 9 Juin 1983 était déposé le brevet Delplanque FR 83 09601 (délivrance le 11 Juillet 1986. N International 2 547 269) dans le but unique d'attirer l'attention sur l'opportunité d'essayer des profils d'ailes, ou des profils de fuselages d'avions en forme de vague. Ce brevet venait donc en continuité du brevet Delplanque FR - 82 21689, pour appuyer une nouvelle approche du Théorème d'Euler dans les turbomachines, suite à l'incompréhension rapportée par l'environnement technique français. Le Théorème d'Euler, qui généralise le principe d'inertie mécanique - ( F = m. Gamma = m. dV/dt) - en écrivant F = d(m. V)/dt, comporte une subtilité remarquable quand il s'agit de son utilisation et de son interprétation dans le cas d'un milieu fluide. Le brevet Delplanque FR 83 09601 sert de base au profil de fuselage de l'avion Global Hawk de Teledyne Ryan tel qu'il apparaît en page 23 de la revue AVIATION WEEK du 9 Mars 1998 dans un article publié à l'occasion du premier vol de cet avion le 8 Février 1998, dont la ligne moyenne du fuselage apparaît, tel qu'on peut le voir sur la vue de profil publiée, ainsi que ses éléments extérieurs, profilée en vague, comme le brevet DELPLANQUE FR 83 09601 l'avait décrit et revendiqué en continuité du brevet FR 82 21689. Ce développement par Teledyne Ryan vient valider l'intérêt pratique, industriel, d'une telle définition en vague

d'une surface échangeant des forces avec un fluide.

Le 6 Janvier 1984 était déposé le brevet Delplanque FR - 84 00139 (délivrance le 13 Juillet 1987. N International 2 557 920). Ce brevet était un perfectionnement destiné à améliorer l'équilibre radial des turbomachines axiales ou/et mixtes de cette lignée aux aubes profilées en vague, au moyen d'une augmentation progressive, du carter vers le moyeu, du nombre de demi - alternances des profils d'aubes vus par le fluide au cours de son déplacement dans la roue mobile, le nombre de demi alternances du profil étant plus grand donc vers le moyeu que vers la périphérie pour donner au fluide une énergie relativement homogène dans le sens diamétral, et permettre une meilleure activation des éléments du fluide en pied des aubes, l'énergie rapportée ou retirée étant, en valeur absolue - dans le sens donné au terme " absolu " en mathématiques - plus faible au pied d'aube qu'en tête, vu la plus faible - vitesse de rotation. On retrouve ce même élément inventif, cette même parenté originale dans le brevet Technofan & Faury FR 88 09261, texte

et dessins associés.

Le 27 Juin 1988, toujours dans cette même lignée de nouvelles machines, était déposé le brevet Technofan & Marc Faury FR 88 09261 (délivrance le 7 Décembre 1990. N International 2 633 336). Ce brevet présente la particularité de contenir tous les ingrédients inventifs des brevets Delplanque précédemment nommés. Il présente dans ses

revendications fonctionnelles et dans ses dessins associés, l'avantage de

démontrer qu'une meilleure compréhension des machines et propositions Eggleton - Delplanque est apparue dans le monde industriel dès l'année 1988, le Polytechnicien et Ingénieur Général de l'armement Marc Faury, coauteur du brevet, étant bien connu comme spécialiste des compresseurs, notamment chez Turbomeca. Le brevet Technofan & Marc i15 Faury recevait une application industrielle sous la forme d'un développement expérimental, avec des élèves de l'Ecole d'ingénieurs ENSICA, d'un petit moteur équipé du compresseur breveté, et une présentation publique des résultats en était faite à I'ENSICA à l'été 1989. Le petit diamètre extérieur du compresseur et du moteur - autour de 200 mm - en faisaient des candidats pour la motorisation du futur missile guidé par fibre optique POLYPHEM de l'Aérospatiale, développé en coopération avec l'Allemagne et l'Italie, et dont la revue AVIATION

WEEK fait état en pages 86 et 89 de son édition du 9 Novembre 1998.

Le 24 Juin 1993, était déposé le brevet Delplanque FR 93 07703 (délivrance le 9 Septembre 1995. N International 2 706 944) Ce brevet fondamental apportait entre autres, un perfectionnement aux turbomachines de cette lignée compacte, en proposant une modulation de la section de passage du fluide, de l'entrée de roue à la sortie de roue, cette modulation produisant un effet sur le fluide comparable à l'influence des profils mobiles en " S " et complémentaire, pouvant se

cumuler avec eux.

Toujours concernant un rappel sur l'état de la technique et les brevets, si deux développements de l'auteur, l'un avec la société Turbomeca en 1983, l'autre avec la société Microturbo et I'Etat français en 1987/1988, n'ont pas abouti sur le plan industriel bien que des essais de laboratoire aient montré la valeur pratique des propositions Delplanque sur le plan industriel, la société Garrett, appartenant au -6 - Groupe Allied-Signal, proposait pour la propulsion d'un missile de croisière dés 1985, au Salon du Bourget 1985, un moteur prototype ETJ 1081 destiné à un missile de croisière tiré à distance de sécurité (programme MSOW), présentant la particularité d'être équipé d'un compresseur basse pression selon la définition initiale Delplanque. De plus, le compresseur mixte du moteur Turbomeca Arbizon 5 présenté au Salon de Hanovre en 1988, présentait une analogie de compacité et

d'efficacité avec les compresseurs de la lignée Eggleton - Delplanque.

On constate donc que la réalisation d'un moteur par Technofan & Marc Faury, développé pour le missile Polyphem de l'Aérospatiale, n'est pas seule à témoigner de l'endurance de cette nouvelle lignée de turbomachines et de profils en vague de surfaces échangeant des forces

avec un fluide.

Après ce rappel nécessaire sur l'état de la technique, et avant de passer au perfectionnement proprement dit apporté par le présent brevet, il est important de rappeler la subtilité du théorème d'Euler de mécanique des fluides. En régime permanent, le théorème d'Euler indique l'équivalence vectorielle de la somme des forces appliquées à un filet fluide contenu dans une surface S et la traversant, et du produit du débit massique de fluide par la différence vectorielle des vitesses sortant et entrant par S. Il est évident que faisant abstraction des forces de pression réelles appliquées au fluide par la surface, une variation nulle des vitesses devrait entrainer une absence de résultante de forces sur la masse en mouvement, et donc l'impossibilité technique de réaliser des machines dans la lignée des brevets Eggleton - Delplanque, ou de faire

voler des avions tel que le Global Hawk de Teledyne Ryan.

C'est bien la raison pour laquelle, en 1984, pour assurer une meilleure compréhension et faire porter un regard nouveau vers les brevets dans la lignée Eggleton, et puisque, comme aujourd'hui, il s'agissait d'une même recherche personnelle autour des mêmes formulations d'équations, hors des circuits publics et privés, hors des entreprises commerciales, mais tournée infiniment vers leur potentiel de fabrication et de recherche, donc avec une unicité de recherche et de résultat comme il apparaît aujourd'hui encore dans le présent brevet, il était associé au brevet FR 84 00139, la découverte de plusieurs formules physiques, apparue en travaillant sur les équations de relativité restreinte -7 - de Lorentz. Pour la matière à l'état solide, et notamment pour une quarantaine d'éléments métaux (purs, non alliés) de la classification périodique de Mendeleev, la formule s'y rapportant était vérifiée avec un bon ordre de grandeur compte tenu de l'imprécision des données physiques contenues dans les listes. Publiée dans le brevet Delplanque FR 84 00139 en faisant abstraction du terme en v exp 2, en général d'un importance relative secondaire, mais qu'il faudrait retrancher du terme a exp. 2, pour lui garder sa généralité dans la dérivée logarithmique, permettant notamment de comprendre, par exemple, la variation brutale du coefficient de dilatation linéaire de la matière dans les zones de changement d'état, quand la vitesse d'agitation des molécules se rapproche de la vitesse du son, la formule, communiquée à l'Université Paris 6 ( Pierre et Marie Curie - Jussieu), reçut un avis favorable pour son élégance de démonstration, sa précision, le fait d'être une véritable " Equation d'Etat >", comme l'est l'équation de Van der Waals, d'être nouvelle, malgré, une parenté certaine avec la formule empirique de Gruneisen, rapportée par elle (publication dans le livre de Charles

KITTEL, " Physique de l'Etat Solide " - Dunod Université- 1983).

L'observation de la nature est souvent à l'origine d'inventions.

On constatera plus loin que la nature fournit des ordres de grandeur et des éléments de similitude permettant de tester et mettre au point des méthodes de calcul, et choisir entre deux possibilités d'équations qui se

présentent à l'esprit.

Pour tester la validité des compresseurs proposés, et les choix de calculs, partant de la remarque que la rotation d'un fluide fournit l'échauffement dans les compresseurs, il était loisible de rechercher, si l'échauffement des corps tournants célestes ou la contrainte mécanique connue de corps terrestres, pouvait être liée, par le théorème d'Euler, à

la rotation.

Cette recherche très simplifiée a été entreprise en partant des données connues - pression, température, vitesse, données géométriques - du Soleil et de la planète Terre. Parti de l'idée que les éléments fluides en surface du Soleil et de la Terre, piégés par le champ de gravitation, étaient entraînés par un mouvement mécanique forcé de l'astre autour de son axe, avec, dans ses conséquences, une variation d'énergie comparable à l'effet de la rotation d'un rouet de pompe, ou d'un rotor de compresseur fonctionnant sur lui-même au point de débit nul, on -8 - pouvait espérer trouver des ordres de grandeur confortant cette théorie et avoir des éléments de comparaison physiques accessibles facilement sans investissements coûteux et machinerie compliquée dépendant des aléas de bancs d'Etat ou d'industriels. Trois calculs au moins ont été faits pour valider la théorie Pour la Terre, l'hypothèse du mouvement forcé de l'eau des océans et de l'atmosphère, par la rotation de la Terre sur son axe, est née chez l'auteur bien avant de savoir que l'eau des océans parcourait un trajet fermé d'une période de 2500 ans environ, d'un océan à l'autre et retour, comme poussée par la géométrie en rotation des continents et des rivages, et particulièrement par le profil grossièrement en " S " des Amériques, par une force mécanique due a la rotation sidérale, comme celle d'un fluide dans une turbomachine fonctionnant au point de débit nul. Tenté de mettre en équation la profondeur des océans, dans l'état de creusement lent dans lequel ils se trouvent, l'utilisation grossière des moyens de calcul des pompes a conduit à trouver une presque égalité entre la pression statique relevée dans les fosses abyssales à 11 Km de profondeur, et celle calculée en faisant l'hypothèse que l'eau des océans est soumise à un entraînement forcé par la rotation du relief des continents de la Terre, dans le piège introduit par la gravitation. L'ordre de grandeur est suffisamment bon pour qu'il soit nécessaire d'aller plus

loin dans la modélisation.

De la même façon, l'analyse des valeurs des temperatures de l'atmosphère, statiques et totales, par exemple à la tropopause (-56,5 C en atmosphère standard), ou au niveau de la mer (288 K en atmosphère standard) permet d'imaginer que le flux de turbulence de l'atmosphère, qu'on constate à partir des images recueillies par les satellites, est dans un mouvement forcé par la rotation de la planète et par l'influence du relief, l'état de fonctionnement étant comparable à celui d'un compresseur à forme très particulière travaillant sur lui-même, sans débit extérieur, en d'autres mots, au point de débit nul, dans des conditions de décollement tournant. Un calcul grossier permet d'estimer que la température terrestre de tropopause à l'équateur (la température statique, celle qui est calculée en retirant la vitesse par rapport à un observateur qui ne tourne pas) est très proche d'une valeur calculée sur la base d'une hypothèse de fonctionnement selon le cumul de deux droites d'Euler, comme dans un compresseur équivalent à deux étages -9- fonctionnant au débit nul, sur lui-même. On pourrait estimer que ceci soit le résultat du cumul de l'influence des deux principaux groupes de continents, travaillant séparément et successivement, et que la zone 11 Km (tropopause en atmosphère standard) soit justement la zone frontière à partir de laquelle l'atmosphère échappe à l'action du relief. Dans la même recherche des analogies et des ordres de grandeur relevés lors du fonctionnement de la machinerie naturelle universelle, il a été tenté de voir si parmi les forces naturelles, la force de gravitation, n'était pas, rien de moins, qu'une force de succion, de dépression, à laquelle est soumise une surface, tel l'extrados d'une aile en mouvement relatif par rapport à un fluide. Il a donc été essayé de voir si la dépression qui s'applique à un fluide en mouvement lors du contournement d'un obstacle, par application de l'équation de Bernouilli, ne pouvaient s'appliquer au calcul de la constante de la force gravitationnelle. On trouve effectivement que la force de masse qui relie deux électrons éloignés l'un de l'autre est une force qui paraît être de ce type, une force qui avant d'être une force de masse est une force de surface, une force qui proviendrait de la dépression statique imposée par un flux de neutrinos contournant l'électron à la vitesse de la lumière, la densité supposée des neutrinos retenue étant celle telle qu'elle est publiée dans les encyclopédies. La formule, qui est dite ici sans démonstration, donne un très bon ordre de grandeur de la constante de gravitation universelle G, telle qu'elle est connue avec une grande précision depuis les éminents travaux du savant anglais Henri Cavendish (1731 - 1810). La voici: G = 1,6 Pi. k. Mu. r exp ( 4). c exp ( 2). m exp ( -2) Mu, masse volumique du gaz de neutrinos et de matière cosmologique diffuse. Valeur numérique connue, autour de 10 exp (- 31) Kg/m3. r, rayon de l'électron (tel qu'il apparaît, en formulation et en valeur physique, en pages 62-63 du livre de Max Born, " Structure

atomique de la matière "> publié par Armand Colin, édition de 1971).

c, vitesse de la lumière.

m, masse de l'électron.

k, coefficient proche de 1.

Ce développement, qui prend sa source dans une recherche d'analogie sur une nouvelle interprétation du Théorème d'Euler en

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Mécanique des Fluides, va dans le sens de ce qu'exprimait Louis de Broglie, Secrétaire Perpétuel de l'Académie des Sciences, quai Conti, Paris, en préface (pages 6-7) de la réédition de sa thèse du 25 Novembre 1924 (MASSON PARIS 1963), selon lequel le vide serait l'objet d'un " milieu subquantique ", sorte d'immense réservoir d'énergie cachée. L'application à l'ensemble de l'espace universel, des formulations classiques en Physique terrestre et proche terrestre permet de retrouver des ordres de grandeur, et mérite donc d'être approfondie pour une meilleure connaissance de ce qui est encore caché derrière le Théorème

1 0 d'Euler.

Bien qu'il soit toujours possible de développer une lignée de machines à l'infini, comme il est possible d'étendre sans difficulté aux forces de gravité proton - électron, et à la constante électrostatique ce qui a été fait concernant la gravitation électron - électron, il est parfois nécessaire d'attendre que des réalisations ou des opportunités se présentent pour proposer des solutions nouvelles. Le perfectionnement ciaprès s'inscrit dans cette stratégie de développement des brevets de la lignée des turbomachines et profils Eggleton - Delplanque, dans la mesure o d'autres réalisations concrètes sont divulgées près de vingt

ans après le premier dépôt Delplanque, l'UAV Global Hawk notamment.

Une exacte correspondance des profils alternés, tout à fait conforme à l'esprit du brevet initial Delplanque FR 82 21689 avait été réalisée par Microturbo en 1987/1988 et essayée au Centre d'Essais Aéronautique de Toulouse en décembre 1988 sous la forme d'une roue

ailetée en un seul bloc taillé dans la masse, comportant quatre demi -

alternances de profil se développant de manière continue, sans interruption donc, de l'entrée à la sortie du fluide de la roue. Il y avait 17 aubes, profilées en double " S >". Dans cette réalisation, la correspondance exacte des profils, constitués de surfaces réglées, la règle du squelette passant par l'axe du rotor, était effectuée, le squelette étant constitué lui-même, d'une succession de rayons amenés progressivement au profil voulu en vague. La réalisation de la roue sur machine à commande numérique avait été facilitée par ce choix fait au

détriment de l'équilibre radial.

Le présent perfectionnement correspond à la proposition d'un moyen pour mieux respecter cet équilibre radial dans les machines de la lignée Eggleton, et contribuer, en rendant un degré de liberté au dessinateur, à améliorer la réalisation mécanique, la facilité de montage, et à réduire les coûts. Il est évident que les conditions de fabrication, les contraintes d'encombrement et de masse sont des données prioritaires, et

la proposition qui est faite ici obéit à ces contraintes.

Chacun peut constater qu'une aube mobile d'un premier étage de compresseur axial à faible rapport de moyeu tel qu'on les voit dans les machines les plus courantes, présente du pied vers la périphérie, un aspect vrillé. Ce vrillage est rendu nécessaire pour obtenir l'harmonisation des pressions le long de la hauteur de l'aube et éviter le

refoulement dans certaines conditions.

La juxtaposition d'une roue de compresseur équipée de cette aube, et de la même roue retournée, si elle conduit grossièrement à une géométrie de veine alternée comme voulu dans le brevet Delplanque FR 82 21689, conduit aussi à remarquer que le bord de fuite des aubes de la roue initiale, et le bord d'attaque de la roue retournée, de même que le bord d'attaque de la roue initiale et le bord de fuite de la roue retournée, si on inverse leur ordre, ne peuvent être alignés et forment grossièrement, dans une direction d'observation prise dans un plan méridien, un angle symétrique selon le dit plan méridien, comme la lettre

" V " ou la lettre " X ", selon la manière dont on les rapproche.

Ramener les " X " ou les " V " à la forme se rapprochant d'un " I ", comme cela a été expérimenté au cours de deux essais faits par l'auteur avec les sociétés Turbomeca (en 1983) et Microturbo (en 1987/88), conduit à rompre l'harmonie de l'équilibre radial dans les parties de machine à prédominance axiale, tout en bénéficiant des avantages apportés par la technologie d'aube en forme de vague. Cette forme en " V " ou en " X ", est la conséquence d'une recherche d'une bonne adaptation, les aubes étant plus fermées généralement, en tête, au rayon le plus grand, qu'en pied, au rayon le plus faible, en raison du fait que la vitesse circulaire étant plus grande à mesure qu'on s'éloigne de l'axe machine, l'énergie apportée est plus grande au fur et à mesure qu'on

s'éloigne de l'axe.

Imposer un alignement du bord de fuite d'une aube, au bord d'attaque de l'aube suivante, ramenée par la pensée en proche correspondance aussi proche que possible d'un " I ", c'est autoriser la perte d'une partie des performances thermodynamiques recherchées pour en gagner d'autres. On ne peut raisonnablement y tendre que dans les -12 - parties de machines très comprimées, ou lorsqu'un faible débit tend à

mettre en état des aubes courtes en rapport du rayon moyen de rotation.

Ou alors, il faut mettre en action un moyen original tel que proposé parbrevet Delplanque FR 84 00139, et qu'on retrouve à l'identique dans le brevet Technofan & Faury FR 88 09261 sous la forme d'un plus grand nombre de demi - alternances au rayon le plus bas comparé au nombre

relevé au rayon le plus grand.

La présente invention consiste donc à revenir sur une contrainte d'alignement imposée, et à faire suivre, dans un même ensemble rotatif, des surfaces portantes successives, avec un nouvel arrangement de conception tel que développé plus haut, tel que le fluide soit conduit, dans un mouvement moyen, à se déplacer, de l'entrée à la sortie de l'ensemble rotatif homogène, sans avoir touché ou été guidé dans l'intervalle par un élément d'aube, ou d'aubage fixe, ce qui est la base des machines la famille Eggleton & Delplanque, selon un mouvement moyen en vague, le nombre de demi - vagues ou de demi - alternances de la vague étant d'au moins trois, vu par au moins une partie du fluide de l'entrée à la sortie de la roue, et tel que dans la succession des aubages,

des profils présentent l'aspect vrillé tel que décrit.

Cette invention s'applique aux turbomachines de la lignée Eggleton Delplanque - Technofan & Faury, dans les parties de cette lignée à prédominance axiale ou mixte à faible rapport de moyeu (rapport du rayon du pied de pale au rayon à l'extrémité de pale), et

pour les autres parties si les contraintes d'adaptation le justifient.

Il est donc proposé comme perfectionnement aux machines de la lignée Eggleton, de faire suivre les profils successifs des aubes en vague, le long du déplacement du fluide dans la roue mobile, étage après étage, aube après aube, en respectant la correspondance angulaire des

squelettes des aubes par rapport à la ligne moyenne, en vague, pré -

définie de déplacement du fluide, avec ses inflexions et ses alternances de courbure dans la présente lignée des brevets Eggleton, Delplanque et Technofan & Faury, et en donnant un degré de liberté à deux au moins des étages consécutifs de l'ensemble tournant, de telle sorte que cette liberté utilisée pour fermer plus en tête et ouvrir plus en pied, des profils d'aubes, permettra de mieux réguler l'équilibre radial, la correspondance des bords d'attaque et des bords de fuite successifs par rapport à des plans méridiens n'étant, de ce fait, pas assurée. Dans ces

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conditions, dans le sens d'observation pris dans une direction contenue dans un plan méridien, dans le sens du déplacement du fluide, le bord de fuite d'une aube et le bord d'attaque d'une aube suivante, rapprochés par la pensée par rotation l'un par rapport à l'autre selon l'axe du rotor, formeront approximativement les lettres majuscules " X " ou " V ", symétriquement par rapport au plan méridien, pouvant permettre à quiconque d'identifier ces nouvelles turbomachines au premier coup

d'oeil à cause des profils vrillés.

Cette solution mécanique proposée permet d'intégrer les profils nouveaux obtenus par les codes de calcul tridimensionnels les plus récents, qu'on remarque notamment dans les salons aéronautiques, et qui donnent le jour à des profils de plus en plus tortueux, que ce soit au niveau du bord d'attaque, du bord de fuite ou de la définition globale des pales. La nouvelle géométrie ici proposée, permet donc, en généralisant les défauts d'alignement des roues mises l'une derrière l'autre, permettant de constituer un ensemble rotor homogène sans éléments de stator inter étages mobiles, avec une généralisation des jeux entre éléments de rotor successifs comme l'a très bien compris l'Ingénieur Marc Faury quand il a proposé sa solution essayée avec succès et brevetée, d'aller encore plus loin dans la simplification des machines en donnant aux réalisateurs et aux industriels la plus grande souplesse de

choix possible.

Le nombre total des aubes ou tronçons d'aubes mobiles sur une même rangée circulaire devrait se trouver réduit avec ce perfectionnement, car d'un espace à l'autre, la division, la sectorisation du fluide ainsi proposée permet de se débarrasser des contraintes de pas relatif serré imposées par la technologie des grilles. On peut ainsi réduire la masse en rotation, et gagner encore de ce fait sur le coût passif de la motorisation des avions, des hélicoptères, des missiles et des

turbomachines les plus diverses.

Il faut préciser que dans le perfectionnement ici proposé, les différentes grilles d'aubes réunies sur un même rotor pour former l'ensemble homogène voulu sans stators internes d'adaptation entre deux roues mobiles d'un même ensemble homogène, pourront être constituées d'aubes au profil à une courbure ou/et plat, ou au profil à deux ou plusieurs courbures inversées en " S " ou/et plat, chacun des profils

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étant réuni au suivant dans le sens du déplacement de telle sorte que les angles, en mesure sur une grille développée soient raccordés pour éviter

les chocs d'une grille à la suivante.

Il faut préciser aussi que les nombres d'aubes de chaque roue pourront être quelconques, et non pas obligatoirement multiples ou sous multiples. Les performances globales devraient être améliorées compte tenu d'un meilleur brassage du fluide dans les espaces des roues ainsi proposées. Bien entendu, cette technologie n'exclut pas de placer, soit à l'avant de la roue complète, de l'ensemble, soit à l'arrière de la roue, en sortie, soit devant et derrière, une ou des roues d'adaptation fixes, comme cela existe déjà dans la plupart des turbomachines connues,

pompes, compresseurs, turbines et leurs applications.

L'invention présente l'avantage de permettre un meilleur brassage du fluide de l'entrée à la sortie de la roue, tout en permettant une meilleure uniformisation des pressions et une réduction du balourd dynamique dû au fluide. Ce perfectionnement n'a rien d'évident en soi pour cette lignée de machines Eggleton, la tendance de pensée spontanée est au contraire de procéder à des alignements, comme l'auteur l'a essayé et rapporté ici même, et comme d'ailleurs Eggleton l'avait

proposé au départ, et comme Technofan & Faury l'ont repris.

L'invention concerne donc un dispositif mécanique homogène échangeant de l'énergie avec un fluide (turbomachine), constitué d'une roue mobile autour d'un axe, pouvant être constituée en une ou plusieurs parties, la dite roue comportant au moins deux grilles d'aubes mobiles formant un ensemble homogène sans aubages fixes internes ou intercalaires, tel que le squelette des aubes dessine de l'entrée à la sortie du fluide dans la roue, des lignes régulières, matériellement interrompues, discontinues, à inflexion de courbure et à courbures alternées, tel que le nombre de demi - alternances du profil des aubes vu par le fluide de l'entrée à la sortie de la roue mobile et par conséquent le même nombre de demi - alternances du chemin moyen imposée au fluide à cette occasion, soit au moins égal à trois dans certaines parties de l'espace parcouru par le fluide, soit près du rayon intérieur de veine, soit près du rayon extérieur de veine, soit le long d'une ou plusieurs lignes intermédiaires, tel que la première cambrure du squelette du profil vue par les filets fluides à l'entrée de la roue soit nulle, ou tournée dans le

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sens nominal de la rotation de la roue, ou tournée en sens inverse, selon la position diamétrale examinée et les caractéristiques recherchées pour le dispositif mécanique, tel que la dernière cambrure du squelette du profil vue par les filets fluides à la sortie de la roue soit ou nulle, ou tournée vers le sens nominal de rotation de la roue, ou tournée en sens inverse, selon la position diamétrale examinée et les caractéristiques

recherchées pour le dispositif mécanique, tel que le nombre de demi-

alternances du chemin moyen, vues par le fluide de l'entrée à la sortie du fluide dans la roue soit égal ou différent pour tous les filets, caractérisé en ce que les aubes d'au moins deux grilles mitoyennes sont plus fermées en tête, au rayon le plus grand et plus ouvertes en pied, au rayon le plus faible, vers le bord de fuite de l'une et vers le bord d'attaque de l'autre suivante, de sorte que la correspondance des bords d'attaque et des bords de fuite successifs par rapport à des plans méridiens n'est pas assurée et qu'ils forment, pour les deux grilles successives considérées, rapprochées par la pensée par rotation l'une par rapport à l'autre selon l'axe du rotor, approximativement les lettres majuscules " X " ou " V ">, symétriquement ou non symétriquement par rapport à un plan méridien, ce qui correspond à une rupture de l'alignement en " I " des aubes d'une

grille mobile à l'autre mitoyenne.

L'invention concerne tout dispositif mécanique tel que défini plus haut, caractérisé en ce que la roue mobile est précédée d'un distributeur fixe d'adaptation, ou est suivie d'un redresseur fixe, ou est à la fois précédée d'un distributeur fixe et est suivie d'un redresseur fixe, ou

n'est, ni précédée d'un distributeur fixe, ni suivie d'un redresseur fixe.

L'invention concerne chacun des dispositifs ci-dessus, de plus caractérisés en ce que la section de veine prise perpendiculairement au filet fluide moyen est soit constante de l'entrée à la sortie du fluide dans la roue, soit convergente de l'entrée à la sortie de la roue, soit divergente de l'entrée à la sortie de la roue, soit alternativement modulée, le nombre de demi - alternances de la modulation de la section

étant d'au moins deux.

Quant aux applications des dispositifs ci-dessus selon l'invention, elles concernent les turbomachines, ou axiales, ou mixtes simples (on dit aussi " diagonales " ou " hélicocentrifuges " ou " hélicocentripètes ", vu la caractéristique de la ligne moyenne de déplacement du fluide, intermédiaire entre la direction axiale et la direction centrifuge) ou

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mixtes avec la caractéristique que le fluide a une entrée axiale ou

inclinée, et une sortie axiale ou centripète.

Plus généralement, l'invention concerne les applications, les utilisations les plus larges, utilisant le terme générique de <" turbomachine ", tels les turboréacteurs, monocorps ou multicorps, monoflux ou multiflux, les turbopropulseurs, les turbocompresseurs, les turbodémarreurs, les turbogénérateurs de puissance (APU pour les avions, les utilisations aériennes, terrestres, marines), les turbomoteurs terrestres, aériens, marins, les turbines à gaz en particulier pour l10 fourniture de puissance électrique, les turbines à vapeur, les turbines hydrauliques, les turbopompes, les soufflantes, les éoliennes, les transmissions hydrodynamiques (de boîtes de vitesse par exemple),

débitmètres, etc, bâtis autour d'au moins un des dispositifs présentés ci-

devant. Plus généralement encore, l'invention concerne des applications dans toute machine faisant appel à au moins une des turbomachines telles que citées ci-dessus, en particulier les avions (avion sans pilote Global Hawk ou projet d'avion cargo FLA à titre d'exemples), les missiles à moteur aérobie ou fusée plus aérobie (tel que le missile Polyphem), les véhicules équipés de moteur/s thermique/s ou thermique/s plus électrique/s, les moyens de forage et de récupération du pétrole.

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Claims (13)

REVENDICATIONS

1) Dispositif mécanique homogène échangeant de l'énergie avec un fluide (turbomachine), constitué d'une roue mobile autour d'un axe, pouvant être constituée en un ou plusieurs parties, la dite roue comportant au moins deux grilles d'aubes mobiles formant un ensemble homogène sans aubages fixes internes ou intercalaires, tel que le squelette des aubes dessine de l'entrée à la sortie du fluide dans la roue, des lignes régulières, matériellement interrompues, discontinues, à inflexion de courbure et à courbures alternées, tel que le nombre de demi - alternances du profil des aubes vu par le fluide de l'entrée à la sortie

de la roue mobile et par conséquent le même nombre de demi -

alternances du chemin moyen imposée au fluide à cette occasion, soit au moins égal à trois dans certaines parties de l'espace parcouru par le fluide, soit près du rayon intérieur de veine, soit près du rayon extérieur de veine, soit le long d'une ou plusieurs lignes intermédiaires, tel que la première cambrure du squelette du profil vue par les filets fluides à l'entrée de la roue soit nulle, ou tournée dans le sens nominal de la rotation de la roue, ou tournée en sens inverse, selon la position diamétrale examinée et les caractéristiques recherchées pour le dispositif mécanique, tel que la dernière cambrure du squelette du profil vue par les filets fluides à la sortie de la roue soit ou nulle, ou tournée vers le sens nominal de rotation de la roue, ou tournée en sens inverse, selon la position diamétrale examinée et les caractéristiques recherchées pour le dispositif mécanique, tel que le nombre de demi-alternances du chemin moyen, vues par le fluide de l'entrée à la sortie du fluide dans la roue soit égal ou différent pour tous les filets, caractérisé en ce que les aubes d'au moins deux grilles mitoyennes sont plus fermées en tête, au rayon le plus grand et plus ouvertes en pied, au rayon le plus faible, vers le bord de fuite de l'une et vers le bord d'attaque de l'autre suivante, de sorte que la correspondance des bords d'attaque et des bords de fuite successifs par rapport à des plans méridiens n'est pas assurée et qu'ils forment, pour les deux grilles successives considérées, rapprochées par la pensée par rotation l'une par rapport à l'autre selon l'axe du rotor, approximativement les lettres majuscules " X " ou " V ", symétriquement ou non symétriquement par rapport à un plan méridien,

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ce qui correspond à une rupture de l'alignement en " I " des aubes d'une

grille mobile à l'autre mitoyenne.

2) Dispositif mécanique selon la revendication 1 caractérisé en

ce que la roue mobile est précédée d'un distributeur fixe d'adaptation.

3) Dispositif mécanique selon la revendication I caractérisé en

ce que la roue mobile est suivie d'un redresseur fixe.

4) Dispositif mécanique selon la revendication I caractérisé en ce que la roue mobile est à la fois précédée d'un distributeur fixe et

suivie d'un redresseur fixe.

5) Dispositif mécanique selon la revendication I caractérisé en ce que la roue mobile n'est ni précédée d'un distributeur fixe, ni suivie

d'un redresseur fixe.

6) Dispositif mécanique selon l'une quelconque des

revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que la section de

veine prise perpendiculairement au filet fluide moyen est constante de

l'entrée à la sortie du fluide dans la roue.

7) Dispositif mécanique selon l'une quelconque des

revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que la section de

veine prise perpendiculairement au filet fluide moyen est convergente de

I'entrée à la sortie de la roue.

8) Dispositif mécanique selon l'une quelconque des

revendications I ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que la section de

veine prise perpendiculairement au filet fluide moyen est divergente de

l'entrée à la sortie de la roue.

9) Dispositif mécanique selon l'une quelconque des

revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que la section de

veine prise perpendiculairement au filet fluide moyen est alternativement modulée, le nombre de demi - alternances de la modulation de la section

étant d'au moins deux.

10) Turbomachine axiale caractérisée en ce qu'elle utilise un

dispositif mécanique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7

ou 8 ou 9.

1l) Turbomachine mixte simple caractérisée en ce qu'elle utilise

un dispositif mécanique selon l'une quelconque des revendications 6 ou

7 ou 8 ou 9.

12) Turbomachine mixte caractérisée en ce quelle utilise un

dispositif mécanique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7

-19 - ou 8 ou 9, l'entrée du fluide dans la première grille étant axiale ou

inclinée, la sortie du fluide dans la dernière grille étant axiale.

13) Turbomachine mixte caractérisée en ce quelle utilise un

dispositif mécanique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7

ou 8 ou 9, l'entrée du fluide dans la première grille étant axiale ou

inclinée, la sortie du fluide dans la dernière grille étant centripète.

14) Turbomachine telle que turboréacteur, monocorps ou multicorps, monoflux ou multiflux, turbopropulseur, turbocompresseur, turbodémarreur, turbogénérateur de puissance (APU pour les avions, les utilisations aériennes, terrestres, marines), turbomoteur terrestre, aérien, marin, turbine à gaz en particulier pour fourniture de puissance électrique, turbine à vapeur, turbine hydraulique, turbopompe, soufflante, éolienne, transmission hydrodynamique, débitmètre, etc, caractérisée en ce qu'elle utilise un ou plusieurs dispositifs mécaniques

ou turbomachines selon l'une quelconque des revendications

précédentes. ) Machine telle qu'avion, missile (à moteur aérobie ou fusée plus aérobie), véhicule équipés de moteur/s thermique/s ou thermique/s plus électrique/s, etc, caractérisée en ce qu'elle utilise au moins une des

turbomachines selon l'une quelconque des revendications 10 à 14.