WO2013135481A1 - Dispositif de pulsation d'un fluide - Google Patents

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WO2013135481A1
WO2013135481A1 PCT/EP2013/053821 EP2013053821W WO2013135481A1 WO 2013135481 A1 WO2013135481 A1 WO 2013135481A1 EP 2013053821 W EP2013053821 W EP 2013053821W WO 2013135481 A1 WO2013135481 A1 WO 2013135481A1
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WO
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chamber
pulsating
fluid
disc
fluid according
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/053821
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English (en)
Inventor
Luis Daniel TEIA DOS SANTOS MENDES GOMES
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Poitiers
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B3/00—Spraying or sprinkling apparatus with moving outlet elements or moving deflecting elements
    • B05B3/02—Spraying or sprinkling apparatus with moving outlet elements or moving deflecting elements with rotating elements
    • B05B3/04—Spraying or sprinkling apparatus with moving outlet elements or moving deflecting elements with rotating elements driven by the liquid or other fluent material discharged, e.g. the liquid actuating a motor before passing to the outlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/005—Nozzles or other outlets specially adapted for discharging one or more gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/28—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto using fluid jets to influence the jet flow
    • F02K1/34—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto using fluid jets to influence the jet flow for attenuating noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/46—Nozzles having means for adding air to the jet or for augmenting the mixing region between the jet and the ambient air, e.g. for silencing

Definitions

  • the field of the invention is that of the pulsation of fluid jets.
  • the fluid is for example air or any other gas, or water, oil, fuel, oil, etc.
  • it is frequently necessary to control the flow of a fluid, in particular to generate pulsed jets.
  • the most commonly used solution for drawing jets is to use an electromechanical device such as a solenoid valve whose function is to open and close an orifice at a certain frequency allowing and then preventing the passage of a fluid.
  • electromechanical device such as a solenoid valve whose function is to open and close an orifice at a certain frequency allowing and then preventing the passage of a fluid.
  • They typically comprise a piston housed in a chamber with two orifices, and a coil. The piston slides in the chamber through an electromagnetic force generated by an electric current that passes into the coil; sliding, the piston opens or closes the passage of the fluid.
  • Electromechanical devices require additional electronic control systems such as electrical signal generators, amplifiers, cables ... which increases the volume, cost, complexity and weight of the final system and reduces its reliability. These disadvantages are all the more important that the system is large and requires greater electrical power
  • FIG. 1 The performances of different electromechanical devices are shown in FIG. 1, where the horizontal axis represents the output diameter in millimeters and the vertical axis represents the maximum pulsation frequency generated by the device.
  • the triangles represent for illustrative purposes the usual market segments for commercially available solenoid valves.
  • the triangular shape is a consequence of the inverse proportionality between the mass flow (here represented by the output diameter) and the pulse frequency.
  • the majority of conventional solenoid valves have a high flow rate and pulse capacity at low frequencies, ie less than 100 Hz.
  • a recent generation of solenoid valves offers an extension of the pulsating capacity up to 500 Hz. Only the fast solenoid valves allow pulsations at high frequencies, but at the expense of debit. There are some that can draw a jet of 1 to 2 mm diameter at 1000Hz and 2000Hz. There are also devices (not commercialized for the moment) based on the piezoelectric effect that allow pulsations at very high frequencies
  • the pulsed jets are proposed, especially in the field of aeronautics, for example to control the air around an aircraft wing, or to reduce the noise generated by the ejection of gases from an aircraft nozzle .
  • These devices include passive chevrons, that is to say ones that do not move and do not use energy, an example of which is described in patent FR 2 920 036 (teeth in the form of chevrons are disposed on the circumference of the nozzle).
  • Rafters are fixed structures that induce overconsumption of fuel in flight.
  • the fluidvrons obtained by compressed air ejection forming fluid chevrons have demonstrated their potential to reduce noise during takeoff and landing without inducing overconsumption through their extinction during flight: refer for example to patent applications FR08 / 52120, FR08 / 52121, FR08 / 52122, FR08 / 52123.
  • they have the disadvantage of requiring significant amounts of compressed air from the engine.
  • the principle of the invention is based on a periodic mechanical partition of a continuous flow of a fluid such as compressed air.
  • the partition is done by rotating a cavity disk (s), giving a pulsed jet.
  • the subject of the invention is a pulsation device of a fluid.
  • An example of such a system is shown in Figure 2a. It is mainly characterized in that it comprises a disk of diameter D of thickness E, with at least one cavity disposed on its perimeter, able to rotate about its axis of rotation, inserted in a circular chamber of diameter D ', of thickness E 'with at least one pair of orifices, an inlet orifice and an outlet orifice each formed in the thickness of the chamber, respectively intended for the inlet of the fluid into the chamber and at its exit from the chamber, with E 'and D' respectively nearly equal to E and D with close friction tolerances so that the disc can freely rotate in this chamber.
  • the inlet and outlet orifices are placed in the thickness of the chamber, the axis of circulation of the fluid through the inlet orifice then being in a direction of a perpendicular plane. to the axis of rotation.
  • the axis of circulation of the fluid through the inlet orifice is at a non-zero determined distance from the axis of rotation of the disk.
  • the disc rotates. Passing past the arrival of the compressed air, the disc closes the said arrival.
  • the disc comprises at least one cavity
  • the cavity passes in front of the air inlet, it is open and the fluid pushes the disk that just seal the entrance.
  • the opposite phenomenon occurs in front of the fluid outlet.
  • the partition of the compressed air is thus made mechanically by the air itself without resorting to any energy other than that of the air. By increasing the air pressure, it forces the disc to turn faster, cutting higher pressure and higher frequency air portions.
  • this device does not require electrical energy, but only the pneumatic energy supplied by the fluid (for example compressed air) input. It is simple, robust, completely mechanical and has few parts, which increases its reliability and reduces its cost of manufacture and operation. This association between pneumatics and mechanics produces effects that electricity and electromagnetism have never achieved.
  • the disk having several cavities, these are preferably of identical shape, and also preferably distributed regularly over the perimeter of the disk. The disk possibly has several cavities of different shapes that can be regularly distributed or not on the perimeter of the disc.
  • the disc can be of low mass thanks to the use of lightweight materials and / or the drilling of holes in its perimeter.
  • the holes are defined and distributed so that the center of gravity remains at the center of rotation of the disk.
  • the chamber is for example circular and delimited by an upper part and an independent lower part, and the device comprises an O-ring capable of sealing between these two parts.
  • Other sealing means are also conceivable by those skilled in the art.
  • the disc is connected to the chamber by means such as ball bearings allowing it to rotate freely.
  • Other types of connections such as low friction surfaces can also be implemented.
  • the fluid is typically a compressed gas or a liquid having a non-zero kinetic energy.
  • the pulsation device further comprises at least one other disc of the same diameter with a different number of cavities, the cavities of the discs being open only at the level of the thickness of the disc.
  • FIG. 1 schematically illustrates different segments of the market of the different electromechanical devices available, among them the solenoid valves,
  • FIGS. 2 schematically represent perspective views of an exemplary pulsation device according to the invention, disassembled (FIG. 2a), and in view cut horizontally at half height of the base (FIG. 2b),
  • FIGS. 3 illustrate different operating steps of an exemplary pulsation device according to the invention
  • FIGS. 4 show curves of variation of the frequency of the pulsations (FIG. 4a), of the output speed as well as of the modulation rate (FIG. 4b), as a function of the pressure of the compressed air at the inlet, for a device as shown in FIG.
  • FIGS. 5 show two examples of the pulsation device in a view cut from above, with four input-output pairs, one with 5 cavities (FIG. 5a) and the other with 8 cavities (FIG. 5b),
  • FIGS. 6 illustrate various discontinuous operation steps of an exemplary pulsation device according to the invention, by the action of a locking element.
  • FIG. 2 shows an exemplary device 100 for pulsating a fluid according to the invention.
  • a fluid for pulsating a fluid according to the invention.
  • It comprises a disk 1 of diameter D of thickness E, comprising several cavities 10 distributed around its perimeter, inserted in a chamber having one or more pairs of compressed air inlet-outlet.
  • the disk must have at least one cavity. It is able to rotate around its axis of rotation 1 1.
  • the chamber of internal diameter D ', of thickness E' has for example an upper portion 21 and a lower portion 22.
  • the dimensions D 'and E' are respectively almost equal to D and E but slightly greater so that the dimensions of the chamber are adjusted to those of the disk so that it can rotate freely in the chamber preferably without friction or with a minimum friction.
  • an O-ring 23 is provided making it possible to make the chamber watertight when assembling the two parts.
  • a pair of orifices is preferably located in the thickness E ', in that of the lower part 22 in the example of FIG. 2a: an orifice input 24 whose flow axis of the fluid indicated by the arrow continues, is advantageously located at a determined distance d preferably non-zero from the axis of rotation 1 1 (more clearly shown in Figure 2a) and an orifice outlet 25, respectively for the passage of compressed air inlet and outlet.
  • the inlet and outlet ports are arranged in the thickness E ', the inlet and the outlet of the compressed air are preferably effected in a plane perpendicular to the axis of rotation 1 1 as shown in the figures .
  • the inlet and outlet ports are arranged one in the upper part 21 of the chamber, the other in the lower part 22, so that the inlet and outlet of the Compressed air is carried out along an axis perpendicular to the plane of the disc.
  • the inlet port is arranged so that the fluid can enter a cavity; likewise, the outlet orifice is arranged in such a way that the fluid can exit a cavity.
  • the outlet orifice is arranged in such a way that the fluid can exit a cavity.
  • this device When this device is used in an aircraft for example, it is typically placed on or in the thickness of the nozzle of the reactor, the outlet orifice forming a pipe then being extended towards the flow of gas ejected by the reactor of the aircraft. .
  • the pulsation device according to the invention can be placed at the inlet of the ducts 32, 34, 36 , 38, 40, 42, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, or higher in the conduit, then separating it into two parts, one dedicated to feeding the fluid, the other to the direction of the jet.
  • the disk 1 is physically connected to the upper portion 21 and lower 22 by bearings 12, 13, to allow it to rotate as freely as possible.
  • bearings 12, 13, can be replaced by any other equivalent means: for example, the upper and lower surfaces of the disc can be made slippery relative to the corresponding surfaces of the chamber.
  • FIG. 3a illustrates the step where the compressed air 3 enters a cavity 10 and imparts a rotation to the disk under the effects of the pneumatic force 14 (shown in FIG. 2b) acting on a wall of the cavity.
  • the axis of circulation of the fluid in the inlet orifice 24 being offset from the axis 1 1 by a non-zero distance d to the left, the rotation is carried out in the direction of clockwise as indicated by the circular arrow 16 of the figure. The rotation would be in the opposite direction if the shift was to the right.
  • the displacement of the cavity 10 that is to say, as the disk 1 rotates, the cavity 10 fills with air 3 (FIG. 3b).
  • FIG. 3c illustrates the stage where the inlet orifice 24 is blocked by the disc 1, which continues to rotate under the effects of the pneumatic force and the rotational inertia force of the disc. In doing so, a new cavity 10 appears in front of the inlet orifice 24 and the compressed air 3 enters this new cavity (FIGS. 3d and 3e).
  • the disk 1 transports the air contained in a cavity 10 to the outlet orifice 25, which can be seen in FIG. 3e: a jet 4 of compressed air is formed as all the air contained in the cavity is ejected through the outlet 25, followed by a period where the outlet is blocked by the disk and the air stops coming out (see Figure 3d).
  • This process of forming the pulsed jet 4 is illustrated by the arrows shown in Figures 3e, 3f and 3g. It does not matter whether the outlet port 25 is blocked when the inlet port 24 is blocked as well.
  • the sequence of these steps forms a pulsed jet 4.
  • the disc cuts the continuous and constant flow of compressed air and the partition of the air is made mechanically by the air itself. If the cavities 10 are identical and regularly distributed around the periphery of the disc as shown in the figures, the frequency of the pulsation fa of the jet is:
  • N being the number of cavities, and fr the frequency of rotation of the disk.
  • the mass flow rate of the jet is controlled by the pressure difference between the inlet port 24 and the outlet port 25, and is limited by the smallest section encountered by the fluid in its path.
  • the peak speed of the jet is controlled by the mass flow and the surface of the outlet orifice 25.
  • a flow rate of about 2 g / s is obtained for an air jet pulsed at 3000 Hz with a speed of 200 m / s.
  • an air density of 1.04 kg / m 3 is calculated when the fluid moves at 200 m / s (Mach number 0.6); this results in a flow rate of approximately 3 g / s (density x surface x speed) for a continuous jet coming out of a 4 mm diameter orifice, ie an exit area of approximately 13 mm 2 .
  • the exemplary device shown in Figure 1 therefore has performance beyond the limits of existing technologies.
  • the flow of the pulsed jet also varies with the volume of the cavities, and therefore with their shape which is preferably designed to facilitate the rotation of the disc. By changing the disk one can thus change the flow.
  • the cavities 10 are then open only in the thickness at the periphery and closed at the upper and lower surface of the disc, unlike the examples shown in the figures where the cavities are open in the thickness and also on the surface .
  • the corresponding disk must be placed at the level of the pairs of inlet-outlet ports.
  • FIGS. 2 The system shown in FIGS. 2 was produced and tested by the inventor. It includes an aluminum disc with 5 cavities, inserted in a chamber about 50mm in diameter and 18mm thick and whose inlet and outlet ports are 4mm in diameter.
  • the chamber is designed with a diameter slightly larger than that of the disc so that it can turn freely.
  • This space between the chamber and the disc may be responsible for the escape of some of the air cavities.
  • This space can be decreased by reducing the space between the disc and the chamber (ie tolerance), and / or adding a lubricating oil which thus increases the tightness of the device.
  • the escapement is quantified by the modulation rate, defined by the difference between the maximum and minimum speeds of the jet divided by the maximum speed. Tests carried out without lubricating oil, show a modulation rate between 70% and 80% (see Figure 4b), that is to say an exhaust of 20% to 30%, which is exceptional.
  • the device can be improved to achieve the performance of the commercial solenoid valves whose exhaust is zero, reducing the tolerance and adding lubricating oil.
  • FIG. 5a shows the case of four input-output pairs which quadruple the constant-frequency mass flow rate (step 3 is moved to FIG. 1).
  • the mass flow rate does not change but the pulse frequency is 4800 Hz ( position 5 in Figure 1).
  • the potential of the device according to the invention in terms of performance becomes more pronounced in the face of existing solutions as can be seen in FIG.
  • the device as presented hitherto operates in continuous mode but its operation in discontinuous mode (one or more pulsations sent at a specific time) is also possible.
  • the device is further equipped with a disk locking member, this element can be controlled electrically or manually.
  • Batch mode operation is exemplified in Figures 6a, 6b.
  • the blocking element 30 is in the blocking position as shown in FIG. 6a, the disk 1 is thus blocked and does not rotate, whether or not the fluid can enter a cavity 10.
  • the blocking element 30 is more in blocking position as shown in Figure 6b, the disc 1 is released and can then rotate under the action of the fluid as shown by the arrow 16.
  • the disc rotates and ejects an air jet. It can be generalized to any fluid having a non-zero flow velocity at the inlet of the chamber, that is to say subjected to a pressure difference between the inlet and the outlet of the chamber (for a gas for example) and / or having a non-zero kinetic energy input (for a liquid for example).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de pulsation d'un fluide (3), Il comporte un disque (1) de diamètre D d'épaisseur E, avec au moins une cavité (10) disposée sur son périmètre, apte à tourner autour de son axe de rotation, inséré dans une chambre circulaire de diamètre intérieur D', d'épaisseur E' avec au moins une paire d'orifices, un orifice d'entrée (24) et un orifice de sortie (25), respectivement destinés à l'entrée du fluide (3) dans la chambre et à sa sortie de la chambre, avec E' et D' respectivement quasiment égaux à E et D aux tolérances de frottement près pour que le disque (1) puisse tourner dans cette chambre.

Description

DISPOSITIF DE PULSATION D'UN FLUIDE
Le domaine de l'invention est celui de la pulsation de jets fluides. Le fluide est par exemple de l'air ou tout autre gaz, ou encore de l'eau, de l'huile, du carburant, du pétrole, etc. Dans plusieurs domaines industriels, il est fréquemment nécessaire de contrôler l'écoulement d'un fluide, notamment de générer des jets puisés.
La solution la plus couramment mise en œuvre pour puiser des jets consiste à utiliser un dispositif électromécanique comme une électrovanne qui a pour fonction d'ouvrir et de fermer un orifice à une certaine fréquence permettant puis empêchant le passage d'un fluide. Elles comportent typiquement un piston logé dans une chambre à deux orifices, et une bobine. Le piston coulisse dans la chambre grâce à une force électromagnétique générée par un courant électrique qui passe dans la bobine ; en coulissant, le piston ouvre ou ferme le passage du fluide.
Mais l'énergie électrique à fournir augmente exponentiellement avec la fréquence des pulsations et/ou leur débit, ce qui provoque des problèmes de surchauffe qui se traduisent par des dysfonctionnements.
Les dispositifs électromécaniques nécessitent des systèmes électroniques additionnels de contrôle tels que des générateurs de signaux électriques, des amplificateurs, des câbles... ce qui augmente le volume, les coûts, la complexité et le poids du système final et réduit sa fiabilité. Ces inconvénients sont d'autant plus importants que le système est de grande taille et requiert une plus grande puissance électrique
Les performances de différents dispositifs électromécaniques sont représentées figure 1 , où l'axe horizontal représente le diamètre de sortie en millimètres et l'axe vertical la fréquence de pulsation maximale générée par le dispositif. Les triangles représentent à titre illustratif les segments de marché habituels des électrovannes disponibles commercialement. La forme triangulaire est une conséquence de la proportionnalité inverse entre le débit massique (représenté ici par le diamètre de sortie) et la fréquence de pulsation. La majorité des électrovannes classiques a un haut débit et une capacité de pulsation à des fréquences faibles, c'est-à-dire inférieures à 100 Hz. Une récente génération d'électrovannes offre une extension de la capacité de pulsation jusqu'à 500 Hz. Seules les électrovannes rapides permettent des pulsations à hautes fréquences, mais au détriment du débit. Il en existe qui permettent de puiser un jet de 1 à 2 mm de diamètre à 1000Hz et 2000Hz. Il existe aussi des dispositifs (non-commercialisés pour le moment) basés sur l'effet piézoélectrique qui permettent des pulsations à très hautes fréquences
Nous pouvons donc délimiter la zone de fonctionnement des technologies existantes par l'aire située sous la courbe en pointillés sur la figure 1 .
Les jets puisés sont proposés, notamment dans le domaine de l'aéronautique, par exemple pour contrôler l'air autour d'une aile d'avion, ou pour réduire le bruit généré par l'éjection des gaz d'une tuyère d'aéronef.
Parmi ces dispositifs, on peut citer les chevrons passifs c'est-à- dire qui ne bougent pas et n'utilisent pas d'énergie dont un exemple est décrit dans le brevet FR 2 920 036 (des dents ayant la forme de chevrons sont disposées sur la circonférence de la tuyère). Les chevrons sont des structures fixes qui induisent une surconsommation de carburant en vol. Les fluidevrons obtenus par éjection d'air comprimé formant des chevrons fluides, ont démontré leur potentialité de réduction des bruits au décollage et à l'atterrissage sans induire de surconsommation grâce à leur extinction pendant le vol : on se reportera par exemple aux demandes de brevet FR08/52120, FR08/52121 , FR08/52122, FR08/52123. Cependant ils présentent le désavantage de nécessiter des quantités non négligeables d'air comprimé en provenance du moteur.
En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un dispositif donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes notamment de fréquence de pulsation, de débit et d'encombrement.
Le principe de l'invention est basé sur une partition mécanique périodique d'un débit continu d'un fluide tel que de l'air comprimé. La partition se fait par la rotation d'un disque à cavité(s), donnant un jet puisé.
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de pulsation d'un fluide. Un exemple d'un tel système est présenté en figure 2a. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comporte un disque de diamètre D d'épaisseur E, avec au moins une cavité disposée sur son périmètre, apte à tourner autour de son axe de rotation, inséré dans une chambre circulaire de diamètre D', d'épaisseur E' avec au moins une paire d'orifices, un orifice d'entrée et un orifice de sortie formés chacun dans l'épaisseur de la chambre, respectivement destinés à l'entrée du fluide dans la chambre et à sa sortie de la chambre, avec E' et D' respectivement quasiment égaux à E et D aux tolérances de frottement près pour que le disque puisse tourner librement dans cette chambre.
Selon une caractéristique de l'invention, les orifices d'entrée et de sortie sont placés dans l'épaisseur de la chambre, l'axe de circulation du fluide par l'orifice d'entrée étant alors selon une direction d'un plan perpendiculaire à l'axe de rotation.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe de circulation du fluide par l'orifice d'entrée est à une distance déterminée non nulle de l'axe de rotation du disque.
Sous l'effet du fluide (l'air comprimé par exemple), le disque tourne. En passant devant l'arrivée de l'air comprimé, le disque obture ladite arrivée. Comme il comporte au moins une cavité, lorsque la cavité passe devant l'arrivée d'air, celle-ci se trouve ouverte et le fluide pousse le disque qui vient reboucher l'entrée. Le phénomène inverse se produit devant la sortie du fluide. La partition de l'air comprimé est ainsi faite mécaniquement par l'air lui-même sans recourir à une énergie autre que celle de l'air. En augmentant la pression de l'air, celui-ci force le disque à tourner plus vite, coupant des portions d'air à pressions plus élevées et à fréquence plus élevée.
Ainsi ce dispositif ne requiert pas d'énergie électrique, mais seulement l'énergie pneumatique fournie par le fluide (par exemple l'air comprimé) en entrée. Il est simple, robuste, complètement mécanique et comporte peu de pièces, ce qui augmente sa fiabilité et diminue son coût de fabrication et de fonctionnement. Cette association entre la pneumatique et la mécanique produit des effets que l'électricité et l'électromagnétisme n'ont à ce jour jamais réalisés. Le disque ayant plusieurs cavités, celles-ci sont de préférence de forme identique, et aussi de préférence réparties régulièrement sur le périmètre du disque. Le disque dispose éventuellement de plusieurs cavités de formes différentes qui peuvent être régulièrement réparties ou pas sur le périmètre du disque.
Le disque peut être de faible masse grâce à l'utilisation de matériaux légers et/ou le perçage de trous dans son périmètre. Les trous sont définis et répartis de telle sorte que le centre de gravité demeure au centre de rotation du disque.
La chambre est par exemple circulaire et délimitée par une partie supérieure et une partie inférieure indépendantes, et le dispositif comporte un joint torique apte à assurer l'étanchéité entre ces deux parties. D'autres moyens d'étanchéité sont aussi concevables par l'homme du métier.
Le disque est connecté à la chambre par des moyens tels que des roulements à billes lui permettant de tourner librement. D'autres types de connections telles que des surfaces de faible friction peuvent aussi être mis en œuvre.
Le fluide est typiquement un gaz comprimé ou un liquide ayant une énergie cinétique non nulle.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de pulsation comporte en outre au moins un autre disque de même diamètre avec un nombre de cavités différent, les cavités des disques n'étant ouvertes qu'au niveau de l'épaisseur du disque.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 illustre schématiquement différents segments du marché des différents dispositifs électromécaniques disponibles, entre eux les électrovannes,
les figures 2 représentent schématiquement des vues en perspective d'un exemple de dispositif de pulsation selon l'invention, désassemblé (fig 2a), et en vue coupée horizontalement à demi hauteur de la base (fig 2b),
les figures 3 illustrent différentes étapes de fonctionnement d'un exemple de dispositif de pulsation selon l'invention,
les figures 4 montrent des courbes de variation de la fréquence des pulsations (fig 4a), de la vitesse de sortie ainsi que du taux de modulation (fig 4b), en fonction de la pression de l'air comprimé en entrée, pour un dispositif tel que montré figures 2,
les figures 5 montrent deux exemples du dispositif de pulsation dans une vue coupée de dessus, avec quatre paires d'entrée-sortie l'un avec 5 cavités (fig 5a) et l'autre avec 8 cavités (fig 5b),
les figures 6 illustrent différentes étapes de fonctionnement discontinu d'un exemple de dispositif de pulsation selon l'invention, par action d'un élément de blocage.
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
On décrit en relation avec les figures 2 un exemple de dispositif 100 de pulsation d'un fluide selon l'invention. Dans la suite on prendra de l'air comprimé comme exemple de fluide 3.
Il comprend un disque 1 de diamètre D d'épaisseur E, comportant plusieurs cavités 10 réparties autour de son périmètre, inséré dans une chambre présentant une ou plusieurs paires d'entrée-sortie d'air comprimé. Le disque doit comporter au moins une cavité. Il est apte à tourner autour de son axe de rotation 1 1 .
La chambre de diamètre intérieur D', d'épaisseur E' comporte par exemple une partie supérieure 21 et une partie inférieure 22. Les dimensions D' et E' sont respectivement quasiment égales à D et E mais légèrement supérieures de manière à ce que les dimensions de la chambre soient ajustées à celles du disque pour que celui-ci puisse tourner librement dans la chambre de préférence sans frottements ou avec un frottement minimum. On prévoit par exemple un joint torique 23 permettant de rendre la chambre étanche lors de l'assemblage des deux parties.
Une paire d'orifices est située de préférence dans l'épaisseur E', dans celle de la partie inférieure 22 dans l'exemple de la figure 2a : un orifice d'entrée 24 dont l'axe de circulation du fluide indiqué par la flèche continue, est avantageusement situé à une distance déterminée d de préférence non nulle de l'axe de rotation 1 1 (plus clairement montré dans la figure 2a) et un orifice de sortie 25, respectivement destinés au passage de l'air comprimé en entrée et en sortie. Lorsque les orifices d'entrée et sortie sont disposés dans l'épaisseur E', l'entrée et la sortie de l'air comprimé s'effectuent de préférence dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 1 1 comme montré sur les figures.
Selon un autre mode de réalisation, les orifices d'entrée et sortie sont disposés l'un dans la partie supérieure 21 de la chambre, l'autre dans la partie inférieure 22, de manière à ce que l'entrée et la sortie de l'air comprimé s'effectuent selon un axe perpendiculaire au plan du disque. L'orifice d'entrée est disposé de manière à ce que le fluide puisse pénétrer dans une cavité ; de même, l'orifice de sortie est disposé de manière à ce que le fluide puisse sortir d'une cavité. Dans la suite de la description on prendra comme exemple un dispositif dont les orifices sont dans l'épaisseur de la chambre, formant ainsi un tuyau (ou conduit) d'entrée et un tuyau (ou conduit) de sortie comme on peut le voir figures 3 et 5. L'un de ces tuyaux (ou les deux) peut être prolongé ou raccordé à un autre tuyau afin d'alimenter l'entrée du fluide et/ou de diriger la sortie du jet puisé vers un endroit désiré.
Lorsque ce dispositif est utilisé dans un aéronef par exemple, il est typiquement placé sur ou dans l'épaisseur de la tuyère du réacteur, l'orifice de sortie formant tuyau étant alors prolongé vers le flux de gaz éjecté par le réacteur de l'aéronef. En reprenant l'exemple de la demande de brevet déjà citée FR 08/52121 et décrit notamment en relation avec les figures 2a, 3 et 4, le dispositif de pulsation selon l'invention peut être placé en entrée des conduits 32, 34, 36, 38, 40, 42, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, ou plus haut dans le conduit, le séparant alors en deux parties, l'une dédiée à l'alimentation du fluide, l'autre à la direction du jet puisé.
Le disque 1 est connecté physiquement à la partie supérieure 21 et inférieure 22 par des roulements 12, 13, afin de lui permettre de tourner le plus librement possible. Ces roulements peuvent être remplacés par tout autre moyen équivalent : par exemple, les surfaces supérieure et inférieure du disque peuvent être rendues glissantes par rapport aux surfaces correspondantes de la chambre.
On va à présent décomposer les différentes étapes de fonctionnement d'un exemple de dispositif de pulsation selon l'invention équipé d'un disque à 5 cavités, en relation avec les figures 3.
La figure 3a illustre l'étape où l'air comprimé 3 entre dans une cavité 10 et imprime une rotation au disque sous les effets de la force pneumatique 14 (représentée sur la figure 2b) s'exerçant sur une paroi de la cavité. L'axe de circulation du fluide dans l'orifice d'entrée 24 étant décalé de l'axe 1 1 d'une distance d non nulle, vers la gauche, la rotation s'effectue dans le sens des aiguilles d'une montre comme indiqué par la flèche circulaire 16 de la figure. La rotation serait dans le sens opposé si le décalage était vers la droite. Au fur et à mesure du déplacement de la cavité 10 c'est-à-dire au fur et à mesure de la rotation du disque 1 , la cavité 10 se remplit d'air 3 (fig 3b).
La figure 3c illustre l'étape où l'orifice d'entrée 24 est bloqué par le disque 1 , qui continue de tourner sous les effets de la force pneumatique et de la force d'inertie de rotation du disque. Ce faisant, une nouvelle cavité 10 apparaît devant l'orifice d'entrée 24 et l'air comprimé 3 entre dans cette nouvelle cavité (figures 3d et 3e).
Au cours de sa rotation, le disque 1 transporte l'air contenu dans une cavité 10 vers l'orifice de sortie 25, ce que l'on peut voir sur la figure 3e : un jet 4 d'air comprimé se forme à mesure que tout l'air contenu dans la cavité est éjecté par l'orifice de sortie 25, suivi d'une période où l'orifice de sortie est bloqué par le disque et l'air arrête de sortir (voir Figure 3d). Ce processus de formation du jet puisé 4 est illustré par les flèches montrées dans les figures 3e, 3f et 3g. Il importe peu que l'orifice de sortie 25 soit bloqué lorsque l'orifice d'entrée 24 l'est aussi.
L'enchaînement de ces étapes forme un jet puisé 4. En effet en tournant, le disque coupe le débit continu et constant d'air comprimé et la partition de l'air est faite mécaniquement par l'air lui-même. Si les cavités 10 sont identiques et régulièrement réparties à la périphérie du disque comme montré sur les figures, la fréquence de pulsation fa du jet est :
fa = N . fr,
N étant le nombre de cavités, et fr la fréquence de rotation du disque. Avec un disque à 5 cavités, tournant à 600 rotations par seconde soit 600 Hz, on obtient une fréquence de pulsation fa de 3000 Hz. Avec un disque à 35 cavités, tournant à 600 rotations par seconde, on obtient une fréquence de pulsation fa de 21000Hz, ou ultrasonique, c'est-à-dire aux limites de l'audition humaine. L'invention devient complètement silencieuse, caractéristique très souhaitée dans les applications où le bruit est un facteur pertinent, comme par exemple dans les moteurs d'avion.
Les performances obtenues en termes de débit dépendent de la vitesse de rotation du disque, de la surface de l'orifice de sortie et de la densité du fluide.
Le débit massique du jet est contrôlé par la différence de pression entre l'orifice d'entrée 24 et l'orifice de sortie 25, et est limité par la plus petite section que rencontre le fluide sur son chemin. Le pic de vitesse du jet est contrôlé par le débit massique et la surface de l'orifice de sortie 25.
Avec par exemple un diamètre de 4 mm, soit une aire de sortie d'environ 13 mm2, on obtient un débit d'environ 2g/s pour un jet d'air puisé à 3000 Hz avec une vitesse de 200m/s. En effet, à partir des relations isentropiques d'un fluide, on calcule une densité d'air de 1 ,04kg/m3 quand le fluide se déplace à 200m/s (Nombre Mach 0.6) ; il en résulte un débit d'environ 3g/s (densité x surface x vitesse) pour un jet continu qui sort d'un orifice de 4mm de diamètre, soit une aire de sortie d'environ 13 mm2. Considérant un taux de modulation de 50%, on estime le débit de jet puisé à environ 1 ,5 g/s.
L'exemple de dispositif indiqué sur la figure 1 , présente donc des performances supérieures aux limites des technologies existantes.
Bien qu'il soit plus facile de fabriquer une chambre avec des orifices ayant les mêmes caractéristiques géométriques, ce n'est pas indispensable. Le débit du jet puisé varie aussi avec le volume des cavités, et donc avec leur forme qui est de préférence conçue pour faciliter la rotation du disque. En changeant de disque on peut ainsi changer le débit.
Par ailleurs si on augmente le diamètre du disque, on peut augmenter le nombre de cavités de tailles égales autour de son périmètre. Si sa fréquence de rotation fr est la même, la fréquence de pulsation augmente. En effet, en prenant l'exemple précédent, si l'on double le diamètre du disque, on peut aussi doubler le nombre des cavités et avoir N=10. En tournant à la même fréquence de rotation 600Hz, la nouvelle fréquence de pulsation est alors égale à 6000Hz (fa = N . fr).
On peut aussi superposer plusieurs disques 1 en parallèle dans une même chambre, chacun permettant des pulsations à un débit différent, comme dans une boîte de vitesse de voiture ; les cavités 10 ne sont alors ouvertes que dans l'épaisseur au niveau de la périphérie et fermées au niveau de la surface supérieure et inférieure du disque, contrairement aux exemples montrés sur les figures où les cavités sont ouvertes dans l'épaisseur et aussi en surface. Pour obtenir un certain débit, il faut que le disque correspondant soit placé au niveau des paires d'orifices d'entrée- sortie.
En augmentant la pression en entrée, le fluide 3 force le disque 1 à tourner plus vite, coupant des segments de fluide à pression et à fréquence plus élevées. Le système montré figures 2 a été produit et testé par l'inventeur. Il comprend un disque en aluminium avec 5 cavités, inséré dans une chambre d'environ 50mm de diamètre et 18mm d'épaisseur et dont les orifices d'entrée et de sortie font 4mm de diamètre.
On a observé que la fréquence de pulsation augmente de façon monotone avec la pression à l'orifice d'entrée 24 (figure 4a). La pression à l'orifice de sortie 25 est alors la pression ambiante. On peut augmenter la vitesse de rotation et donc la fréquence de pulsation en réduisant l'inertie du disque en le construisant dans un matériau léger tel que le PVC et/ou en ajoutant des trous tels que montrés figure 5b. Dans les trois cas les modifications ne doivent pas compromettre la rigidité du disque nécessaire à son intégrité mécanique pendant son utilisation.
Enfin on a également observé que le pic de vitesse du jet augmente graduellement avec la pression à l'orifice d'entrée 24, comme montré figure 4b.
La chambre est conçue avec un diamètre légèrement plus grand que celui du disque pour que celui-ci puisse tourner librement. Cet espace entre la chambre et le disque peut être responsable de l'échappement d'une partie de l'air des cavités. Cet espace peut être diminué en réduisant l'espace entre le disque et la chambre (i.e. tolérance), et/ou ajoutant une huile de lubrification qui augmente ainsi l'étanchéité du dispositif. L'échappement est quantifié par le taux de modulation, défini par la différence entre les vitesses maximale et minimale du jet divisée par la vitesse maximale. Des tests réalisés sans huile de lubrification, montrent un taux de modulation compris entre 70% et 80% (voir figure 4b), c'est-à-dire un échappement de 20% à 30%, ce qui est exceptionnel. Le dispositif peut être perfectionné pour atteindre les performances des électrovannes commercialisées dont l'échappement est nul, en réduisant la tolérance et en ajoutant de l'huile de lubrification.
On peut également augmenter le débit en maintenant la fréquence de pulsation mais en multipliant les paires d'orifices d'entrée-sortie. De préférence, les paires sont alors juxtaposées de sorte qu'un orifice d'entrée soit voisin de deux orifices de sorties et un orifice de sortie soit voisin de deux orifices d'entrée. Les orifices ont de préférence les mêmes caractéristiques d'aire. En ajoutant une paire supplémentaire, les résultats montrent que le débit double alors que la fréquence de pulsation demeure inchangée (on passe à la position 2 dans la figure 1 ). On peut aussi par exemple ajouter trois paires supplémentaire 24b, 25b, 24c, 25c et 24d, 25d à la première paire 24a, 25a, comme montré figure 5a, chaque orifice de celle- ci étant disposé symétriquement par rapport à l'axe de rotation 1 1 du disque. La figure 5a montre le cas de quatre paires d'entrée-sortie ce qui quadruple le débit massique à fréquence constante (on passe à la position 3 dans la figure 1 ).
Si en plus de cette augmentation du nombre de paires d'orifices, on remplace le disque à 5 cavités par un disque à 8 cavités, tel que présenté figure 5b, le débit massique ne change pas mais la fréquence de pulsation passe à 4800 Hz (position 5 dans la figure 1 ). Le potentiel du dispositif selon l'invention en termes de performances devient de plus en plus marqué face aux solutions existantes comme on peut le voir figure 1 .
Le dispositif tel que présenté jusqu'alors fonctionne en mode continu mais son fonctionnement en mode discontinu (une ou plusieurs pulsations envoyées à un moment précis) est également possible. Ainsi selon une caractéristique de l'invention, le dispositif est en outre équipé d'un élément de blocage du disque, cet élément pouvant être contrôlé électriquement ou manuellement. Le fonctionnement en mode discontinu est exemplifié sur les figures 6a, 6b. Lorsque l'élément de blocage 30 est en position blocage comme montré sur la figure 6a, le disque 1 est donc bloqué et ne tourne pas, que le fluide puisse ou non entrer dans une cavité 10. Lorsque l'élément de blocage 30 n'est plus en position blocage comme montré sur la figure 6b, le disque 1 est libéré et peut alors tourner sous l'action du fluide comme montré par la flèche 16.
Dans les exemples décrits jusqu'à présent, tant que l'air comprimé arrive dans une cavité, le disque tourne et éjecte un jet d'air. On peut généraliser à tout fluide ayant une vitesse d'écoulement non nulle en entrée de la chambre, c'est-à-dire soumis à une différence de pression entre l'entrée et la sortie de la chambre (pour un gaz par exemple) et/ou ayant une énergie cinétique non nulle en entrée (pour un liquide par exemple).

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif (100) de pulsation d'un fluide (3), caractérisé en ce qu'il comporte un disque (1 ) de diamètre D d'épaisseur E, avec au moins une cavité (10) disposée sur son périmètre, apte à tourner autour de son axe de rotation (1 1 ), inséré dans une chambre circulaire (21 , 22) de diamètre intérieur D', d'épaisseur E' avec au moins une paire d'orifices, un orifice d'entrée (24) et un orifice de sortie (25) formés chacun dans l'épaisseur de la chambre, respectivement destinés à l'entrée du fluide (3) dans la chambre et à sa sortie de la chambre, avec E' et D' respectivement quasiment égaux à E et D aux tolérances de frottement près pour que le disque (1 ) puisse tourner dans cette chambre.
Dispositif de pulsation d'un fluide selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les orifices d'entrée (24) et de sortie (25) sont placés dans l'épaisseur de la chambre.
Dispositif de pulsation d'un fluide selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le fluide (3) étant destiné à circuler par l'orifice d'entrée selon un axe de circulation, celui-ci est à une distance déterminée non nulle de l'axe de rotation du disque.
Dispositif de pulsation d'un fluide selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la chambre comportant une surface supérieure et une surface inférieure parallèles au disque, les orifices d'entrée (24) et de sortie (25) sont respectivement placés sur ces surfaces.
Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (1 ) ayant plusieurs cavités (10), les cavités sont de forme identique.
Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (1 ) ayant plusieurs cavités (10), les cavités sont régulièrement réparties sur le périmètre du disque.
7. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre comporte plusieurs paires d'orifices (24a, 25a, 24b, 25b, 24c, 25c, 24d, 25d).
8. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (1 ) comporte des trous (15).
9. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre est délimitée par une partie supérieure (21 ) et une partie inférieure (22) indépendantes, et le dispositif comporte un joint torique (23) apte à assurer l'étanchéité entre ces deux parties.
10. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des roulements (12, 13) disposés entre le disque et la chambre.
1 1 . Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide (3) est un gaz comprimé ou un liquide ayant une énergie cinétique non nulle.
12. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un élément (30) de blocage du disque.
13. Dispositif de pulsation d'un fluide selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande électrique de l'élément (30) de blocage du disque.
14. Dispositif de pulsation d'un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un autre disque de même diamètre avec un nombre de cavités différent, les cavités des disques n'étant ouvertes qu'au niveau de l'épaisseur du disque.
15. Réacteur d'aéronef équipé d'un dispositif de pulsation selon l'une des revendications précédentes. 16. Aile d'avion équipée d'un dispositif de pulsation selon l'une des revendications 1 à 14.
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