WO2016103241A1 - Turbine à flux induit avec hélium cryogénique - Google Patents

Turbine à flux induit avec hélium cryogénique Download PDF

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WO2016103241A1
WO2016103241A1 PCT/IB2016/050740 IB2016050740W WO2016103241A1 WO 2016103241 A1 WO2016103241 A1 WO 2016103241A1 IB 2016050740 W IB2016050740 W IB 2016050740W WO 2016103241 A1 WO2016103241 A1 WO 2016103241A1
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turbine
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cryogenic helium
heat exchanger
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Papa Abdoulaye MBODJ
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Mbodj Papa Abdoulaye
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to an induced flux turbine with cryogenic helium technically characterized by a first heat exchanger; a converge; a turbine; a second heat exchanger; an electronic control circuit consisting of microcontrollers, valves and electrical contactors; a heated fluid reservoir having electrical resistances incorporated therein and pressurized; a thermal energy supply system; a flux induction unit consisting of a pump and an electric motor; all in an assembly having a thermal insulation and bathed in helium gas at very low temperature and that when they come into synergy can provide electricity, mechanical energy and ensure operation a reversible cooling system.
  • This system can be used to power a house, a locality, an aircraft, a satellite, a car, a boat or a submarine, any powered vehicle.
  • WO 2010/059093 A1 discloses a solar flow turbine with a nacelle, a generator powered by a turbine.
  • WO 2010/059093 A1 differs from the present invention in that the movement of the flux is vertical and that the nacelle in the terrestrial reference is fixed. This makes the system of WO 2010/059093 A1 is less efficient and has a constraint in terms of system installation because the nacelle must be vertical.
  • the fluid moving in the nacelle comes from the external environment and therefore its initial temperature depends on the external environment. This further decreases the efficiency of the system in the case of a warmer climate.
  • the induced flux turbine with cryogenic helium sets a fluid (a gas) in motion with respect to a turbine in a nacelle. No mechanical compressor is required for its operation.
  • the purpose of the induced flux turbine with cryogenic helium is to produce electricity or mechanical energy with great efficiency by inducing a current or wind that converts the energy in the form of pressure into the atmosphere. helium in kinetic energy and to drive a turbine continuously.
  • Plate 1 represents the operating diagram of the induced flux turbine with cryogenic helium.
  • the 12 corresponds to the first heat exchanger.
  • the 1 corresponds to the convergent.
  • the 2 corresponds to the turbine compartment.
  • the 3 corresponds to the second heat exchanger.
  • the 5 corresponds to a microcontroller-contactor couple which makes it possible to connect an electric circuit.
  • the 6 corresponds to the external electrical circuit.
  • the 7 corresponds to the flux induction unit consisting of a pump (4) and an electric motor (8).
  • the 1 1 corresponds to the second power source for the flux induction unit.
  • 9 is an external heat source.
  • the 10 corresponds to a solar heat plate.
  • the 13 corresponds to the reversible cooling system.
  • Plate 2 shows the design of the device of the induced flux turbine with cryogenic helium with a rotary motion.
  • the 1 corresponds to the nacelle of the turbine.
  • the 2 corresponds to the inlet of the turbine.
  • the 3 corresponds to the casing of the transmission shaft going from the turbine to the electric generator.
  • the 4 corresponds to the second heat exchanger.
  • the 5 corresponds to the pump.
  • the 6 corresponds to the compartment of the electric generator.
  • the 7 corresponds to the compartment of the electric motor.
  • the 8 corresponds to the first external protective casing of the turbine.
  • the 9 corresponds to the first heat exchanger incorporated in the convergent.
  • Plate 3 shows the design of the device of the solar heating plate that can be used with the turbine to supply thermal energy.
  • the 1 corresponds to the solar plate.
  • the 2 corresponds to the tank of the heat transfer fluid sent to the first heat exchanger.
  • the 3 corresponds to the external thermal energy supply unit.
  • the 4 corresponds to the temperature control box and contains a small electric pump.
  • Plate 4 shows the design of the device of the reversible cooling system.
  • the 1 corresponds to the input allowing to circulate the fluid of cooling in a room.
  • the 2 corresponds to the support of the small pumps located in the rooms.
  • the 3 corresponds to the compartment enclosing an electronic control circuit, a thermometer and an electric mini-pump.
  • the 4 80 corresponds to the ducts through which the coolant passes which is connected to the second heat exchanger.
  • the 5 corresponds to the heat exchanger for transferring the energy between the cooling fluid contained in the chambers (1) and the liquid contained in the tubes connected to the second heat exchanger (4).
  • Plate 5 represents the design of the device of the cryogenic helium induced flux turbine with an additional external envelope ensuring the capacity of the helium in which the nacelle is immersed and the insulation of the device.
  • the 1 corresponds to the solar plate.
  • the 2 corresponds to the heated fluid reservoir.
  • the 3 corresponds to the external envelope ensuring the capacity of the helium and the insulation of the device.
  • the 90 Plate 6 shows the design of the cryogenic helium induced flux turbine device used to propel an electric vehicle.
  • the 1 corresponds to the electric generator. In this case the electric generator is outside the outer protective envelope.
  • the 2 corresponds to a transmission shaft.
  • the 3 corresponds to a rotary junction for the injection of fluids for the heat exchangers.
  • the 4 corresponds to the nacelle.
  • the 5 corresponds to the electric motor of the flux induction system.
  • the 6 corresponds to the cylindrical compartment.
  • the 7 corresponds to the induced flux turbine with cryogenic helium with the outer casing ensuring the capacity of a fluid in which the nacelle is immersed and the insulation of the device.
  • 8 corresponds to the hot fluid reservoirs in which electrical resistances are located.
  • the 9 is the fuel-using burner for producing the exothermic source for heating a fluid that is sent to the cryogenic helium induced flow turbine in the first heat exchanger.
  • the 10 corresponds to the points where the electric motors are fixed to propel the vehicle.
  • Plate 7 shows the design of the cryogenic helium induced flux turbine device used to drive a fan.
  • the 1 corresponds to the fan.
  • the 2 corresponds to a transmission shaft.
  • the 3 is a geared power transmission mechanism that propagates power to a shaft at 90 degrees of angle and changes the angular velocity.
  • the 4 corresponds to a rotary junction no for the injection of the fluids for the heat exchangers in the nacelle.
  • the 5 corresponds to the electric motor of the flux induction system.
  • the 6 corresponds to the first heat exchanger.
  • the 7 corresponds to the convergent.
  • the 8 corresponds to the turbines.
  • the 9 is a geared power transmission mechanism that propagates power to a 90-degree angle shaft.
  • the lily 10 corresponds to a tree.
  • the 1 1 corresponds to the second heat exchanger.
  • the 12 corresponds to an increase of the volume before the second heat exchanger.
  • Plate 8 represents the design of the device of the cryogenic helium induced flow turbine mounted in the nacelle of an aircraft engine.
  • the 1 corresponds to the air inlet 120 of the nacelle of the aircraft engine.
  • the 2 corresponds to the nacelle of the aircraft engine.
  • the 3 corresponds to the output of the nacelle of the aircraft engine.
  • the 4 and the 5 correspond to the compartment in which the induced flux turbine with cryogenic helium is located.
  • the 6 corresponds to the entry of the nacelle of the aircraft engine. This is where the fan is.
  • Plate 9 shows the design of the cryogenic helium induced flux turbine device used to drive a propeller.
  • the 1 corresponds to the electric generator. In this case the electric generator is outside the outer protective envelope.
  • the 2 corresponds to a transmission shaft.
  • the 3 corresponds to a rotary junction for the injection of fluids for heat exchangers.
  • 130 4 corresponds to the outer casing ensuring the capacity of a fluid in which the nacelle is immersed and the insulation of the device.
  • the 5 corresponds to an electric motor on which is mounted a propeller.
  • the 6 corresponds to the helix.
  • the 7 corresponds to the center of the propeller.
  • Plate 10 shows the design of the cryogenic helium 135 induced flux turbine device used to power a satellite.
  • the 1 corresponds to the induced flux turbine with cryogenic helium.
  • the 2 corresponds to the solar thermal plates capturing the radiations of the sun.
  • the 3 corresponds to the central part of the satellite.
  • the 4 corresponds to the propulsion engine of the satellite.
  • the induced flux turbine with cryogenic helium consists of a convergent fixed upstream of the turbine. This convergent is made of very resistant plastic material to hold the strong pressure exerted by the fluid. In the convergent is incorporated a heat exchanger fed by a solar plate and an external system of heat input. This heat exchanger is made of copper.
  • the plaque is made of copper.
  • 145 solar consists of a glass plate above and copper tubes enclosing the heat-heated heating fluid or an exothermic source.
  • the glass plate isolates the tubes from the external environment and prevents heat transfer from the hotter copper tubes to the outside by convection. The whole is evacuated to minimize heat loss.
  • the 150 of the solar plate is the storage tank for the sun-heated fluid by radiation or by an exothermic and pressurized source.
  • the walls of the tank have a thermal insulation. This keeps the temperature of the heated fluid.
  • electrical resistances that heat the fluid by direct injection of electricity. These resistances are controlled by
  • an electric pump that sends the hot fluid to the heat exchanger embedded in the convergent.
  • an external energy supply system which is an exothermic source, consisting of a tank containing a fuel and a burner.
  • the turbine Downstream of the convergent is the turbine. They are mounted on a geared power transmission mechanism to propagate the power extracted by the blades of the turbine to a shaft at 90 degrees angle. At the back of the fins is a metal heat exchanger. Behind this exchanger is a pump controlled by the flow induction unit. After the pump, there is a
  • the steel transmission shaft leaves the nacelle housing the turbine and transmits the extracted power to a generator.
  • the shaft is inside a plastic casing too to reduce the drag force and avoid the Magnus effect.
  • In this envelope is also all the wiring and ducts linking the nacelle of the turbine 170 to the central part where are housed the generator and the engine.
  • the power is transmitted at 90 degrees angle to an electric generator.
  • the generator compartment is tied to the basket and they rotate together in one block. This compartment is mounted on bearings and is linked to the engine by a shaft.
  • the engine compartment In the engine compartment are the electronic control circuits and the electric motor, part of the flux induction unit. This compartment is fixed and is attached to external protective casings.
  • the compartment and the outer shells are made of plastic.
  • the first outer shell is perforated to allow the evacuation of turbulence to the outside thereof and prevent them from being sucked by the turbine, maximizing the performance of the 180 fins.
  • the second outer envelope having a thermal insulation, is added to ensure the capacity of the fluid in which the nacelle is immersed and allow its thermal insulation.
  • the second heat exchanger is connected to a network of small heat exchangers having chambers for cooling the helium in
  • the small pumps allowing the recirculation of a fluid in the rooms, are made of plastic and mounted on small electric motors.
  • An electronic control system and electric mini-pump is attached to the device for managing the temperature in the chamber or chambers. This system, constituted
  • the flux induction unit is composed of a pump, an electric motor and an electronic system. These two elements make it possible to induce a flow in motion.
  • the movement of an object is at the relative base. Depending on the frame of reference, the intensity of the movement may be different.
  • the pump draws fluid through the nacelle.
  • the engine actuated increases the fluid velocity relative to the nacelle. The combination of both is dictated by the search in the operation
  • the turbine must both provide energy and maintain its own movement with respect to the fluid. Knowing that energy can not be created from nothingness or destroyed and that it is conserved, an additional source of energy must be found. This is achieved through the use of the solar plate and the filler system
  • a fluid has a total pressure. Pressure as such is not energy but by its work it produces it. This total pressure splits into two types of pressure for an incompressible fluid: the static pressure and the dynamic pressure linked to the movement. Also the mechanical energy of an incompressible fluid is the sum of three types of energies: the one related to the pressure
  • the system becomes a generator in the image of an AC electric motor that becomes a generator when its rotation speed is greater than the synchronization speed.
  • the cold helium entering the nacelle is heated by the heat exchanger and its temperature increases. This causes an increase in the internal energy 230 of the fluid. This internal energy is transformed into velocity in the convergent and drives the turbine.
  • the fluid After passing the turbine and losing its pressure, the fluid has a lower temperature.
  • This temperature decrease is used by the second heat exchanger to lower the temperature of a fluid in a reversible cooling system (consisting of other small heat exchangers in the chambers) and to cool the generator and the electric motor. Passing through the heat exchanger, the flow is warmed up and its pressure is slightly increased. This makes it possible to increase the efficiency of the pump during its operation. However, if the temperature of the chambers is lower than that of the outgoing helium 240 of the turbine of the nacelle, the second heat exchanger will cool the helium.
  • the temperature of the chamber or chambers makes it possible to control the temperature of the helium in which the nacelle is immersed. This is used to upgrade the nacelle in a cooler environment and thus increase the efficiency of the turbine.
  • a diffuser is placed in front of the second heat exchanger 245 to increase the volume and therefore the temperature of the helium. This is done in order to have a good cooling coefficient.
  • shock waves are used to produce shock waves by driving the nacelle at a speed faster than the speed of sound due to the flux induction system.
  • a compression cone can be used to produce shock waves. In the case of a subsonic regime the diffusion phenomenon alone is enough to increase the pressure.
  • the immersion of the nacelle of the induced flow turbine in cryogenic helium makes it possible to attenuate the structural warming and the
  • the speed in the nacelle is maintained at a speed that allows the turbine / generator pair to produce an alternating current with the correct voltage and frequency. This avoids the use of an inverter.
  • the power being constant, the excess electricity from the generator in the event of under-utilization is returned to the electrical resistances of the hot pressurized fluid reservoir.
  • the tank acts as a battery of the turbine system.
  • This same device is used for the electric car with tanks having electrical resistances.
  • the thermal energy resulting from the braking of the vehicle can be used to power the device.
  • cryogenic helium is used to cool the gear system in the case of the cryogenic helium induced flux turbine.
  • the gear system for transmitting the mechanical energy from the turbine because of the friction on the gears in contact, tends to heat during the transmission of large powers.
  • the heat from the gear mechanism is recovered and transmitted to the first heat exchanger via the reversible cooling system to which the second heat exchanger is connected.

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Abstract

On sait que jusqu'à présent il existe des systèmes de turbine qui bien que remplissant la même fonction que le système de turbine à flux induit avec hélium cryogénique, objet de l'invention, présentent un certains nombres de problèmes techniques dont la forte température nécessaire, pouvant aller jusqu'à des milliers de degrés Celsius, pour faire fonctionner les turbines thermiques qui nécessitent un compresseur et une chambre de combustion. La turbine à flux induit avec hélium cryogénique, lorsqu'elle est entrainée au-delà d'une vitesse critique avec injection d'énergie thermique, devient un générateur à l'image d'un moteur électrique à courant alternatif qui devient un générateur lorsque sa vitesse de rotation est supérieure à la vitesse de synchronisation. Ainsi la turbine à flux induit avec hélium cryogénique permet de produire de l'électricité et de l'énergie mécanique à de faibles températures sans l'utilisation de compresseur mécanique ou de chambre de combustion et permet de faire fonctionner un système réversible de refroidissement.

Description

Turbine à flux induit avec hélium cryogénique.
La présente invention concerne une turbine à flux induit avec hélium cryogénique caractérisée techniquement par un premier échangeur de chaleur ; un convergent ; une turbine ; un deuxième échangeur de chaleur; un circuit de contrôle électronique constitué de microcontrôleurs, de valves et de contacteurs électriques; un réservoir de fluide chauffé ayant des résistances électriques incorporées dans celui-ci et pressurisé; un système d'apport d'énergie thermique; une unité d'induction de flux constitué d'une pompe et d'un moteur électrique ; le tout se trouvant dans un ensemble ayant une isolation thermique et baignant dans de l'hélium gazeux à très basse température et qui lorsqu'ils entrent en synergie permettent de fournir de l'électricité, de l'énergie mécanique et d'assurer le fonctionnement d'un système réversible de refroidissement. Ce système peut être utilisé pour alimenter une maison, une localité, un aéronef, un satellite, une voiture, un bateau ou un sous-marin, tout véhicule propulsé.
On sait que jusqu'à présent il existe des systèmes de turbine qui bien que remplissant la même fonction que le système de turbine à flux induit avec hélium cryogénique, objet de l'invention, présentent un certains nombres de problèmes techniques que sont entre autres :
- La forte température nécessaire, pouvant aller jusqu'à des milliers de degrés Celsius, pour faire fonctionner les turbines thermiques qui nécessitent un compresseur et une chambre de combustion. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
WO 2010/059093 A1 décrit une turbine solaire à flux avec une nacelle, un générateur actionné par une turbine. Cependant WO 2010/059093 A1 diffère de la présente invention par le fait que le mouvement du flux est vertical et que La nacelle dans le référentiel terrestre est fixe. Cela fait que le système de WO 2010/059093 A1 est moins efficace et présente une contrainte en termes d'installation du système car la nacelle doit être nécessairement verticale. De plus le fluide en mouvement dans la nacelle provient de l'environnement externe et donc sa température initiale dépend de l'environnement externe. Cela baisse encore plus l'efficacité du système dans le cas d'un climat plus chaud.
La turbine à flux induit avec hélium cryogénique met en mouvement un fluide (un gaz) par rapport à une turbine se trouvant dans une nacelle. Aucun compresseur mécanique n'est nécessaire pour son fonctionnement. L'examen de l'état de la technique surtout en matière de brevets n'a pas permis d'identifier des systèmes de turbine permettant de résoudre les problèmes ci-dessus contrairement à l'objet de la présente invention :
Turbine à flux induit avec hélium cryogénique.
DESCRIPTION La turbine à flux induit avec hélium cryogénique a pour fonction de produire de l'électricité ou de l'énergie mécanique avec une grande efficience en induisant un courant ou vent qui permet de convertir l'énergie se trouvant sous forme de pression dans l'hélium en énergie cinétique et pour entraîner une turbine de façon continue.
DESCRIPTION DES PLANCHES
La planche 1 représente le diagramme de fonctionnement de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique. Le 12 correspond au premier échangeur de chaleur. Le 1 correspond au convergent. Le 2 correspond au compartiment de la turbine. Le 3 correspond au deuxième échangeur de chaleur. Le 5 correspond à un couple microcontrôleur-contacteur qui permet de connecter un circuit électrique. Le 6 correspond au circuit électrique externe. Le 7 correspond à l'unité d'induction de flux constituée d'une pompe (4) et d'un moteur électrique (8). Le 1 1 correspond à la deuxième source d'alimentation électrique pour l'unité d'induction de flux. Le 9 correspond à une source de chaleur externe. Le 10 correspond à une plaque de chaleur solaire. Le 13 correspond au système réversible de refroidissement.
La planche 2 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique avec un mouvement rotatif. Le 1 correspond à la nacelle de la turbine. Le 2 correspond à l'entrée de la turbine. Le 3 correspond à l'enveloppe de l'arbre de transmission allant de la turbine vers le générateur électrique. Le 4 correspond au deuxième échangeur de chaleur. Le 5 correspond à la pompe. Le 6 correspond au compartiment du générateur électrique. Le 7 correspond au compartiment du moteur électrique. Le 8 correspond à la première enveloppe externe de protection de la turbine. Le 9 correspond au premier échangeur de chaleur incorporé dans le convergent.
La planche 3 représente le dessin du dispositif de la plaque de chauffage solaire utilisable avec la turbine pour apporter de l'énergie thermique. Le 1 correspond à la plaque solaire. Le 2 correspond au réservoir du fluide calorifique envoyé vers le premier échangeur de chaleur. Le 3 correspond à l'unité d'apport d'énergie thermique externe. Le 4 correspond au boîtier de contrôle de température et renferme une petite pompe électrique.
La planche 4 représente le dessin du dispositif du système réversible de refroidissement. Le 1 correspond à l'entrée permettant de faire circuler le fluide de refroidissement dans une chambre. Le 2 correspond au support des petites pompes se trouvant dans les chambres. Le 3 correspond au compartiment renfermant un circuit de contrôle électronique, un thermomètre et une mini-pompe électrique. Le 4 80 correspond aux conduits par où passe le liquide de refroidissement qui est connecté au deuxième échangeur de chaleur. Le 5 correspond à l'échangeur de chaleur permettant de transférer l'énergie entre le fluide de refroidissement contenu dans les chambres (1 ) et le liquide contenu dans les tubes connectés au deuxième échangeur de chaleur (4).
85 La planche 5 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique avec une enveloppe externe supplémentaire assurant la contenance de l'hélium dans lequel la nacelle est immergée et l'isolation du dispositif. Le 1 correspond à la plaque solaire. Le 2 correspond au réservoir de fluide chauffé. Le 3 correspond à l'enveloppe externe assurant la contenance de l'hélium et l'isolation du dispositif.
90 La planche 6 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique utilisée pour propulser un véhicule électrique. Le 1 correspond au générateur électrique. Dans ce cas le générateur électrique est à l'extérieur de l'enveloppe externe de protection. Le 2 correspond à un arbre de transmission. Le 3 correspond à une jonction rotative pour l'injection des fluides pour les échangeurs de
95 chaleur se trouvant dans la nacelle. Le 4 correspond à la nacelle. Le 5 correspond au moteur électrique du système d'induction de flux. Le 6 correspond au compartiment cylindrique. Le 7 correspond à la turbine à flux induit avec hélium cryogénique avec l'enveloppe externe assurant la contenance d'un fluide dans lequel la nacelle est immergée et l'isolation du dispositif. Le 8 correspond aux réservoirs de fluide chaud îoo dans lesquels des résistances électriques se trouvent. Le 9 correspond au brûleur utilisant un carburant pour produire la source exothermique pour chauffer un fluide qui est envoyée vers la turbine à flux induit avec hélium cryogénique, dans le premier échangeur de chaleur. Le 10 correspond aux points où sont fixés les moteurs électriques pour propulser le véhicule.
105 La planche 7 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique utilisée pour entrainer un fan. Le 1 correspond au fan. Le 2 correspond à un arbre de transmission. Le 3 correspond à un mécanisme de transmission de puissance à engrenage permettant de propager la puissance à un arbre à 90 degrés d'angle et de changer la vitesse angulaire. Le 4 correspond à une jonction rotative no pour l'injection des fluides pour les échangeurs de chaleur se trouvant dans la nacelle.
Le 5 correspond au moteur électrique du système d'induction de flux. Le 6 correspond au premier échangeur de chaleur. Le 7 correspond au convergent. Le 8 correspond aux turbines. Le 9 correspond à un mécanisme de transmission de puissance à engrenage permettant de propager la puissance à un arbre à 90 degrés d'angle. Le lis 10 correspond à un arbre. Le 1 1 correspond au deuxième échangeur de chaleur. Le 12 correspond à une augmentation du volume avant le deuxième échangeur de chaleur. La planche 8 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique montée dans la nacelle d'un moteur d'avion. Le 1 correspond à l'entrée 120 d'air de la nacelle du moteur d'avion. Le 2 correspond à la nacelle du moteur d'avion.
Le 3 correspond à la sortie de la nacelle du moteur d'avion. Le 4 et le 5 correspond au compartiment dans lequel se trouve la turbine à flux induit avec hélium cryogénique. Le 6 correspond à l'entrée de la nacelle du moteur d'avion. C'est là où se trouve le fan.
125 La planche 9 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique utilisée pour entraîner une hélice. Le 1 correspond au générateur électrique. Dans ce cas le générateur électrique est à l'extérieur de l'enveloppe externe de protection. Le 2 correspond à un arbre de transmission. Le 3 correspond à une jonction rotative pour l'injection des fluides pour les échangeurs de chaleur. Le
130 4 correspond à l'enveloppe externe assurant la contenance d'un fluide dans lequel la nacelle est immergée et l'isolation du dispositif. Le 5 correspond à un moteur électrique sur lequel est montée une hélice. Le 6 correspond à l'hélice. Le 7 correspond au centre de l'hélice.
La planche 10 représente le dessin du dispositif de la turbine à flux induit avec hélium 135 cryogénique utilisée pour alimenter un satellite. Le 1 correspond à la turbine à flux induit avec hélium cryogénique. Le 2 correspond aux plaques solaires thermiques captant les radiations du soleil. Le 3 correspond à la partie centrale du satellite. Le 4 correspond au moteur de propulsion du satellite.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
140 La turbine à flux induit avec hélium cryogénique est constituée d'un convergent fixé en amont de la turbine. Ce convergent est fabriquer en matériau plastique très résistant pour tenir la forte pression exercée par le fluide. Dans le convergent est incorporé un échangeur de chaleur alimenté par une plaque solaire et un système externe d'apport de chaleur. Cet échangeur de chaleur est fait en cuivre. La plaque
145 solaire est constituée d'une plaque de verre au-dessus et de tubes de cuivre renfermant le fluide calorifique chauffé par le soleil ou une source exothermique. La plaque de verre permet d'isoler les tubes de l'environnement externe et empêche le transfert de chaleur des tubes de cuivre plus chauds vers l'extérieur par convection. L'ensemble est mis sous vide pour minimiser les déperditions de chaleur. En dessous
150 de la plaque solaire se trouve le réservoir de stockage du fluide chauffé par le soleil par radiation ou par une source exothermique et pressurisé. Les parois du réservoir ont une isolation thermique. Cela permet de garder la température du fluide chauffé. Aussi se trouve dans le réservoir des résistances électriques qui permettent de chauffer le fluide par injection directe d'électricité. Ces résistances sont contrôlées par
155 le circuit électronique de la turbine. À côté du réservoir se trouve une pompe électrique qui permet d'envoyer le fluide chaud vers l'échangeur de chaleur incorporé dans le convergent. En dessous du réservoir se trouve un système d'apport d'énergie externe, qui est une source exothermique, constitué par un réservoir contenant un carburant et un brûleur.
160 En aval du convergent se trouve la turbine. Elles sont montées sur un mécanisme de transmission de puissance à engrenage permettant de propager la puissance extraite par les ailettes de la turbine à un arbre à 90 degrés d'angle. À l'arrière des ailettes se trouve un échangeur de chaleur en métal. Derrière cet échangeur se trouve une pompe commandée par l'unité d'induction de flux. Après la pompe, se trouve un
165 conduit qui guide le flux issu de la turbine vers l'extérieur de la nacelle.
L'arbre de transmission en acier quitte la nacelle abritant la turbine et transmet la puissance extraite à un générateur. L'arbre est à l'intérieur d'une enveloppe en plastique aussi pour réduire la force de traînée et éviter l'effet Magnus. Dans cette enveloppe se trouve aussi tout le câblage et les conduits liant la nacelle de la turbine 170 à la partie centrale où sont logés le générateur et le moteur. La puissance est transmise à 90 degrés d'angle à un générateur électrique. Le compartiment du générateur est lié à la nacelle et ils tournent ensemble en un seul bloc. Ce compartiment est monté sur des roulements et est lié au moteur par un arbre.
Dans le compartiment du moteur se trouve les circuits électroniques de contrôle et le 175 moteur électrique, faisant partie de l'unité d'induction de flux. Ce compartiment est fixe et est attaché aux enveloppes externes de protection. Le compartiment ainsi que les enveloppes externes sont réalisées en plastique. La première enveloppe externe est perforée pour permettre l'évacuation des turbulences vers l'extérieur de celle-ci et éviter qu'elles soient aspirées par la turbine, maximisant les performances des 180 ailettes. La deuxième enveloppe externe, ayant une isolation thermique, est ajoutée pour assurer la contenance du fluide dans lequel la nacelle est immergée et permettre son isolation thermique.
Le deuxième échangeur de chaleur est connecté à un réseau de petits échangeurs de chaleur ayant des chambres pour assurer le refroidissement de l'hélium dans
185 lequel la nacelle est immergée. Ces petits échangeurs de chaleurs sont faits en cuivre.
Les petites pompes, permettant la recirculation d'un fluide dans les chambres, sont en plastique et montés sur de petits moteurs électriques. Un système de contrôle électronique et de mini-pompe électrique est attaché au dispositif permettant la gestion de la température dans la chambre ou les chambres. Ce système, constitué
190 du deuxième échangeur de chaleur et du réseau de petits échangeurs de chaleur, est réversible.
FONCTIONNEMENT
L'unité d'induction de flux est composée d'une pompe, d'un moteur électrique et d'un 195 système électronique. Ces deux éléments permettent d'induire un flux en mouvement.
Le mouvement d'un objet est à la base relative. Dépendant du référentiel, l'intensité du mouvement peut être diffèrent. La pompe permet d'aspirer le fluide à travers la nacelle. Le moteur mis en action augmente la vitesse du fluide relativement à la nacelle. La combinaison des deux est dictée par la recherche dans le fonctionnement
200 du pique d'efficience. A un certain régime d'écoulement, la pompe devient inefficiente et est arrêtée par le circuit électronique. Dans un autre régime d'écoulement la pompe seule est suffisante. Ainsi la turbine voit un flux en mouvement. Initialement l'unité d'induction de flux est alimentée par apport d'énergie externe. Puis lorsque que la turbine atteint une certaine vitesse, l'unité d'induction de flux bascule sur le générateur
205 électrique lié à la turbine via le circuit de contrôle électronique.
La turbine doit à la fois fournir de l'énergie et assurer son propre maintien en mouvement vis-à-vis du fluide. Sachant que l'énergie ne peut être créée du néant ou détruite et qu'elle est conservée, une source d'énergie supplémentaire doit être trouvée. Cela est réalisé par l'utilisation de la plaque solaire et du système d'apport
2io externe en énergie thermique. Un fluide dispose d'une pression totale. La pression en tant que telle n'est pas de l'énergie mais par son travail elle en produit. Cette pression totale se scinde en deux types de pression pour un fluide incompressible : La pression statique et la pression dynamique liée au mouvement. Aussi l'énergie mécanique d'un fluide incompressible est la somme de trois types d'énergies : celle liée à la pression
215 qui est le ratio de la pression sur la densité du fluide ; celle liée à la vitesse et qui est proportionnelle au carré de la vitesse et celle liée à l'énergie potentielle fonction de l'élévation. Donc lorsque la pression chute, la vitesse et/ou l'élévation augmentent en négligeant les pertes dues aux frottements. La turbine et la nacelle étant à altitude constante, seule la vitesse augmente dans notre cas à l'intérieur de la nacelle. Il existe
220 un moyen pour transformer la pression en vitesse sans pour autant fournir du travail qui est l'utilisation d'un convergent. En combinant un convergent avec une turbine et en les entraînant au-delà d'une certaine vitesse critique avec apport d'énergie externe, il est possible d'obtenir suffisamment de puissance pour à la fois maintenir le mouvement et fournir de l'électricité. En conséquent au-delà d'une vitesse critique, le
225 système devient un générateur à l'image d'un moteur électrique à courant alternatif qui devient un générateur lorsque sa vitesse de rotation est supérieure à la vitesse de synchronisation.
En résumé, l'hélium froid entrant dans la nacelle est chauffé par l'échangeur de chaleur et sa température augmente. Cela entraine une augmentation de l'énergie 230 interne du fluide. Cette énergie interne est transformée en vitesse dans le convergent et actionne la turbine.
Après avoir passé la turbine et perdu de sa pression, le fluide a une température moins importante. Cette diminution de température est utilisée par le second échangeur de chaleur pour baisser la température d'un fluide dans un système réversible de 235 refroidissement (constitué d'autres petits échangeurs de chaleurs placé dans les chambres) et refroidir le générateur et le moteur électrique. En passant par l'échangeur de chaleur, le flux est réchauffé et revoit sa pression augmentée de peu. Ceci permet d'augmenter l'efficacité de la pompe lors de son fonctionnement. Cependant si la température des chambres est inférieure à celle de l'hélium sortant 240 de la turbine de la nacelle, le deuxième échangeur de chaleur va refroidir l'hélium.
Dans ce cas la température de la chambre ou des chambres permet de contrôler la température de l'hélium dans lequel la nacelle est immergée. Cela est utilisé pour faire évoluer la nacelle dans un environnement plus froid et ainsi augmenter l'efficacité de la turbine. Dans ce cas un diffuseur est placé devant le deuxième échangeur de 245 chaleur pour augmenter le volume et donc la température de l'hélium. Ceci est fait dans le but d'avoir un bon coefficient de refroidissement.
En effet plus on abaisse la température du fluide dans lequel la nacelle est immergée, plus la turbine sera efficace en considérant l'énoncé sur l'efficience de Carnot. Donc l'utilisation d'un fluide cryogénique permettra d'augmenter significativement 250 l'efficience de la turbine.
Aussi la vitesse du son diminue dans un fluide froid. Cela est utilisé pour produire des ondes de choc en entraînant la nacelle à une vitesse supérieur à la vitesse du son grâce au système d'induction de flux. L'utilisation des ondes de choc et du phénomène de diffusion (ralentissement du flux par augmentation de volume) à l'entrée de la
255 nacelle avant le premier échangeur de chaleur permet d'augmenter la pression et ainsi l'efficience de la turbine. Un cône de compression est utilisable pour produire les ondes de chocs. Dans le cas d'un régime subsonique le phénomène de diffusion seul suffit pour augmenter la pression. L'immersion de la nacelle de la turbine à flux induit dans de l'hélium cryogénique permet d'atténuer le réchauffement structurel et la
260 traînée issue des ondes de choc car la vitesse du son est faible.
La vitesse dans la nacelle est maintenue à un régime qui permet au couple turbine/générateur électrique de produire un courant alternatif avec le bon voltage et la bonne fréquence. Ceci permet d'éviter l'utilisation d'un onduleur. La puissance étant constante, l'excès d'électricité issu du générateur en cas de sous-utilisation est 265 renvoyé vers les résistances électriques du réservoir de fluide chaud pressurisé. Ainsi le réservoir agit comme batterie du système de turbine.
Ce même dispositif est utilisé pour la voiture électrique avec des réservoirs ayant des résistances électriques. L'énergie thermique issue du freinage du véhicule est utilisable pour alimenter le dispositif.
270 De même l'hélium cryogénique est utilisé pour refroidir le système d'engrenage dans le cas de la turbine à flux induit avec hélium cryogénique. En effet le système d'engrenage permettant de transmettre l'énergie mécanique issue de la turbine, du fait de la friction sur les engrenages en contact, tend à chauffer lors de la transmission de grandes puissances. Cependant grâce à l'hélium cryogénique et au deuxième
275 échangeur de chaleur, la chaleur issue du mécanisme d'engrenage est récupéré et transmis au premier échangeur de chaleur par la voie du système réversible de refroidissement auquel est connecté le deuxième échangeur de chaleur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Turbine à flux induit avec hélium cryogénique ayant une nacelle ; un générateur actionné par une turbine caractérisée par : la nacelle est liée par un bras à un compartiment cylindrique dans lequel se trouve le générateur qui est actionné par une turbine contenu dans la nacelle; un moteur, faisant partie de l'unité d'induction de flux, qui par apport d'énergie externe met en mouvement de rotation la nacelle autour du compartiment cylindrique ; la nacelle est constituée d'un échangeur de chaleur dans lequel un fluide chauffé par une plaque thermique solaire ou une source d'énergie exothermique est envoyé, d'un convergent, d'une turbine, d'un deuxième échangeur de chaleur et d'une pompe.
2. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'unité d'induction de flux est composée d'une pompe montée à l'arrière de la nacelle et d'un moteur qui sont initialement actionnés par apport d'énergie externe et qui, lorsque la turbine fournit suffisamment d'énergie, basculent sur cette dernière.
3. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la nacelle est en position statique lorsque la pompe seule est actionnée pour le fonctionnement de la turbine.
4. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle est utilisée dans un système de refroidissement réversible grâce au deuxième échangeur de chaleur, installé dans la nacelle, qui est lié à d'autres petits échangeurs de chaleurs et qui est utilisé pour refroidir l'hélium dans lequel la nacelle est immergée en ajoutant un diffuseur avant le deuxième échangeur de chaleur et réchauffer le fluide chaud envoyer dans le premier échangeur de chaleur.
5. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle permet de produire de l'énergie mécanique; dans le cas de production unique d'énergie mécanique, le générateur électrique se trouvant dans le compartiment cylindrique est supprimé et remplacé par un mécanisme de transmission de puissance à engrenage.
6. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que plusieurs turbines et convergents sont mises en série dans la nacelle et des nacelles en parallèle autour du compartiment cylindrique.
7. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une source de chaleur fonctionnant avec une source exothermique est lié au premier échangeur de chaleur.
8. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que des résistances électriques sont incorporés dans un réservoir de fluide chaud pressurisé et fonctionnent lors d'un surplus de puissance venant du générateur, ce qui permet de stocker cette énergie dans le réservoir chaud évitant l'utilisation de batteries chimiques externes.
9. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la nacelle est immergée dans de l'hélium dont la température peut être contrôlée par le deuxième échangeur de chaleur pour augmenter l'efficacité de la turbine et qui est isolé de l'environnement externe par la deuxième enveloppe externe qui dispose d'une isolation thermique.
10. Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la nacelle est mis en rotation par le système d'induction de flux à une vitesse supérieure à la vitesse du son, créant ainsi des ondes de choc à l'entrée de la nacelle qui compresse le fluide entrant dans la nacelle et augmente l'efficacité thermique et cela sans l'utilisation d'un compresseur axial ou centrifuge.
1 1 . Turbine à flux induit avec hélium cryogénique selon la revendication 1 , 2, 4, 5, 6, 8, 9 et 10 caractérisée en ce qu'elle permet de produire de l'énergie mécanique et d'entraîner un turbo fan ou une hélice ou une aile portante ou un alternateur électrique ou un compresseur ou d'assurer la propulsion d'un véhicule.
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