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TITRE DE L'INVENTION
MOTEUR ROTATIF CONTINU Ä COMBUSTION INDUITE PAR
ONDE DE CHOC
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait aux moteurs rotatifs. Plus
spécifiquement, la présente invention a trait à un moteur rotatif continu à
combustion induite par onde de choc.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Étant donné l'utilisation massive de l'énergie de rotation dans des
applications mécaniques de plus en plus complexes comme les avions
et les hélicoptères par exemple, il est essentiel d'optimiser la performance
de la transformation de l'énergie chimique en énergie de rotation. Sont
appelés moteurs, les systèmes qui permettent de transformer une forme
d'énergie en énergie mécanique. La performance de ces moteurs peut
s'analyser selon les critères suivants:
rendement de conversion d'énergie ou consommation spécifique;
- puissance maximale;
- puissance spécifique, puissance/masse;
- possibilité d'utiliser des sources d'énergies dont les réserves mondiales
ne sont pas menacées;
- non pollution;
- coûts de production du moteur.
Actuellement, il existe plusieurs types de moteurs pouvant
transformer l'énergie fossile ou thermique en énergie de rotation. Les 2
principaux types sont les moteurs à combustion interne et les turbines à
gaz.
Tous les moteurs ont des limites dans l'un ou l'autre des critères
énumérés ci haut. Par exemple, un moteur non polluant peut être limité
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en puissance maximale ou avoir un coût de production trop élevé. En
plus du rendement de conversion d'énergie, une importante limite à
examiner pour un bon nombre d'application mobiles est celle de la
puissance spécifique.
A ce jour, plusieurs recherches ont été menées sur l'application de
propulseurs supersoniques en rotation. Entre autres:
chambre de combustion rotative pour turbine à gaz [LEZBERG 56];
- statoréacteur pour pale d'hélicoptère [RADIN et CARPENTER 53];
- statoréacteur pour pale d'hélicoptère [CARPENTER et RADIN 53].
On note également plusieurs brevets dont les principaux sont:
- moteur Ramgen [LAWLOR 94,LAWLOR 98, LAWLOR 01a,
LAWLOR 01b, LAWLOR 01c, LAWLOR 02a, LAWLOR 02b];
- turbine Rambine [de CHAIR 76,de CHAIR 80].
La rotation du moteur Ramgen est générée par la poussée de 2
statoréacteurs situés en périphérie d'un disque tournant à des vitesses
périphériques correspondant à M=2.50 aux conditions d'atmosphère
standard [LAWLOR 98]. Le Ramgen est composé d'un disque qui
supporte 2 propulseurs symétriquement opposés. Chacun de ces
propulseurs fournit une poussée purement tangentielle à l'assemblage,
ce qui produit de la puissance de rotation. Un des problèmes inhérent au
premier concept de ce moteur est la contamination possible de
l'admission d'un propulseur par l'échappement de l'autre. A cet effet, un
grand ventilateur positionné en amont du moteur souffle de l'air frais qui
balaie les gaz d'échappement.
En 1999, le Ramgen était testé par la compagnie du méme nom
dans le but de commercialiser des stations génératrices d'électricité. Un
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prototype composé d'un rotor de 6 pieds de diamètre serait à l'essai.
Selon les affirmations de la compagnie, le prototype démarrerait.
Sans aucune mise à jour du site web depuis, il est difficile de
savoir quels sont les progrès du développement du moteur Ramgen. II est
5 à souligner que le Ramgen est conceptualisé en fonction de la production
d'électricité. Par conséquent, l'objet des moteurs Ramgen est de
maximiser le rendement de conversion d'énergie. Le Ramgen est très
rapidement limité en terme de puissance spécifique car le rotor ne
contient que 2 statoréacteurs.
OBJETS DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est donc de présenter un moteur
rotatif amélioré.
D'autres objets et caractéristiques de la présente invention
apparaïtront dans la description qui suit, relative à un mode de réalisation
préférentiel, non limitatif et illustré par les figures annexées qui
représentent schématiquement:
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 illustre le principe physique;
La Figure 2 illustre le concept global A, en vue radiale et axiale du
moteur assemblé ainsi qu'une vue isométrique du rotor;
La Figure 3 illustre le concept global A, par un agrandissement des
propulseurs dans le moteur assemblé: la purge et le boïtier externe ont
été volontairement déplacés;
La Figure 4 illustre le moteur A, en vue explosée, nomenclature;
La Figure 5 illustre le moteur A, vues 3 côtés, dimensions hors-
tout;
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La Figure 6 illustre le moteur A, section radiale, nomenclature;
La Figure 7 illustre le moteur A, section radiale, dimensions;
La Figure 8 illustre le moteur A, section radiale, fluides;
La Figure 9 illustre le propulseur A, modèle 2D plan;
5 La Figure 10 illustre le propulseur A, diffuseur à M = 1.95, schéma
chocs/caractéristiques;
La Figure 11 illustre le propulseur A, diffuseur à M=2.5, schéma
chocs/caractéristiques;
La Figure 12 illustre le concept global B, vue assemblée;
10 La Figure 12A illustre la purge du diffuseur qui se fait selon le
principe du diffuseur perforé;
La Figure 13 illustre le concept global B, vue explosée;
La Figure 14 illustre le concept global B, pièces rotatives
seulement;
15 La Figure 15 illustre le concept global B, ailette seule;
La Figure 16 illustre le concept global B, vue radiale du joint
ailette/rotor;
La Figure 17 illustre le concept global B, propulseurs assemblés;
La Figure 18 illustre le concept global B, agrandissement des
20 propulseurs assemblés;
La Figure 19 illustre le moteur B, vue explosée, nomenclature;
La Figure 20 illustre le moteur B, vues 3 côtés, dimensions hors-
tout;
La Figure 21 illustre le moteur B, section radiale, nomenclature;
25 La Figure 22 illustre le moteur B, section radiale, dimensions;
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La Figure 23 illustre le moteur B, section radiale, fluides;
La Figure 24 illustre le moteur B, section axiale, nomenclature;
La Figure 25 illustre le moteur B, Rotor CC, demi-section;
La Figure 26 illustre le propulseur, modèle 2D plan;
5 La Figure 27 illustre le propulseur, modèle 3D déplié, 2
propulseurs (feuille: 1/2);
La Figure 28 illustre le propulseur, modèle 3D déplié, 2
propulseurs (feuille: 2J2);
La Figure 29 illustre la puissance spécifique incluant la masse de
carburant en fonction du temps pour différents types de moteur:
WS = puissance spécifique incluant le carburant; et
La Figure 30 illustre les configurations à 1 et 4 rotors.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Un mode de réalisation de la présente invention sera maintenant
décrit à titre purement indicatif.
La présente invention propose un nouveau moteur qui vise
spécifiquement à repousser les limites actuelles de puissance spécifique.
Plus concrètement, le moteur qui transforme l'énergie chimique d'un
carburant en énergie mécanique de rotation utilise un processus de
combustion induite par onde de choc (CIOC). L'utilisation de ce principe
physique découle d'un raisonnement inductif:
II existe présentement des moteurs à CIOC dédiés à
l'aéronautique qui produisent de la poussée (propulseurs). Pour
fonctionner, ces propulseurs ont besoin d'une vitesse supersonique
d'entrée des gaz de l'ordre de Mach 3 et plus. Ces propulseurs ne
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contiennent aucune pièce mobile. Ils sont aussi potentiellement très
efficaces aux vitesses de l'ordre de Mach 3 par rapport aux
turboréacteurs conventionnels. Si l'on fixe un propulseur à CIOC
perpendiculairement à un bras fixé sur un arbre en rotation, la poussée
combinée à la rotation de l'assemblage produira de la puissance
mécanique de rotation. Ce concept de moteur devrait avoir une grande
puissance spécifique car il serait adapté aux très grandes vitesses de
rotation et sa masse serait minime car il y aurait peu de pièces mobiles.
La figure 1 schématise le principe physique conducteur de l'invention
proposée.
Un des objectif de la présente invention est donc de maximiser la
puissance spécifique.
Des objectifs secondaires incluent : minimiser la pollution, réduire
les coûts de production, maximiser le rendement, utiliser des ressources
naturelles abondantes et avoir un concept permettant une miniaturisation.
Fonctionnement de l'invention
Deux concepts de moteur appliquant le principe physique à la
source de l'invention ont été développés.
Concept global A
20 Le premier design de moteur élaboré est celui du concept global
A. Les propulseurs sont intégrés à même un rotor en composite carbone-
carbone (CC), comme le montre les figures 2 à 8. Ces derniers identifient
les principales composantes du concept global A et donnent quelques
dimensions.
25 Le parcours des gaz dans le moteur est illustré à la figure 8. L'air
et le carburant entrent par la face d'admission avec une direction parallèle
à la face de succion des ailettes. Les produits de combustion sont éjectés
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par la face d'échappement avec une direction parallèle à la face de
pression des ailettes. Les gaz sont confinés dans les propulseurs illustrés
à la figure 9. Les figures 10 et 11 montrent graphiquement la position des
ondes de choc obliques et des caractéristiques expansives telles que
modélisées pour le calcul des pertes des chocs obliques du diffuseur.
Le concept global A utilise une valve à manchon comme
mécanisme de purge. L'ouverture de la surface de purge est contrôlée
par le coulissement axial de la valve de purge; voyez les figures 6 et 7.
La vue en coupe de la figure 7 montre que le rayon extérieur des
propulseurs enroulés au rotor varie selon la position axiale. Cette
particularité est essentielle à tous les propulseurs car la surface de sortie
de la tuyère doit être environ 2 fois plus grande que la surface du col.
L'augmentation du rayon de 10 mm entre l'entrée et la sortie fournit le
rapport de surface requis à l'expansion des gaz.
15 Un des avantages du concept global A est sa grande facilité de
fabrication, ce qui le rend intéressant pour la réalisation de préprototypes
expérimentaux. Cependant, le volume du rotor est grand; d'autant plus
que les parois du rotor sont inclinées à 20° pour assurer la résistance
en
rotation. La vue en coupe de la figure 7 montre la grande surface du profil
20 du rotor. La masse élevée de cette configuration ne favorise pas le
développement de grandes puissances spécifiques alors égales ou
inférieures aux turbomoteurs actuels.
Concept global B
Le concept global B vise essentiellement à diminuer la masse du
25 concept global A. Le concept global B est issu de la fusion des
technologies des roues d'inertie et de la propulsion. En utilisant un
cerceau de fibre de carbone 1 D, pour soutenir les contraintes de rotation
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induites par les propulseurs, le rotor du concept global B est
significativement allégé.
En mettant les 2 concepts de moteurs, A et B, à la même échelle,
toutes les pièces en rotation du concept global B, figure 14,
correspondent à seulement 66% de la masse du rotor du concept global
A. Par conséquent, d'autres importantes réductions de masse seraient
envisageables sur les composantes soutenant la masse en rotation
(roulements, châssis etc...). Les figures 12 à 26 illustrent le concept
global B.
Tout comme le concept global A, le parcours des gaz dans le
concept global B est montré à la figure 23. L'air et le carburant entrent
également par la face d'admission avec une direction parallèle à la face
de succion des ailettes. Les produits de combustion sont aussi éjectés
par la face d'échappement avec une direction parallèle à la face de
pression des ailettes. Les gaz sont confinés dans les propulseurs illustrés
à la figure 26.
Les propulseurs sont disposés à l'intérieur d'un cerceau
unidimensionnel de fibre de carbone, figures 13 et 14. Ils possèdent une
paroi refroidie en composite carbone-carbone pour isoler thermiquement
le cerceau unidimensionnel; voyez la figure 23. Les figures 28 et 29
montrent les canaux de refroidissement et d'évacuation des gaz purgés.
Les canaux de refroïdissement sont montrés sur la partie de gauche de
la section A-A tandis que les canaux d'évacuation des gaz purgés sont
montrés sur la partie droite de cette même section A-A. Sur la vue A de
ces dessins, le canal central de 6.43 mm de largeur est un canal
annulaire de distribution de l'air de refroidissement.
La purge du diffuseur se fait selon le principe du diffuseur perforé.
Ce principe est illustrë à la figure 12A. Les perforations du diffuseurs
permettent d'évacuer le surplus de gaz après que celui-ci soit passé par
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le choc normal. Cette évacuation permet au diffuseur de démarrer à des
nombres de Mach relatifs plus faible qu'un simple diffuseur à convergent
interne. Les figures 28 et 29 montrent les canaux de purge. Ceux-ci sont
montrés sur la partie de droite de la section A-A.
5 Les figures 15 et 16 montrent une ailette formée de la matière
comblant l'espace défini par 2 propulseurs joints consécutivement. En
distribuant symétriquement les ailettes sur la périphérie du rotor, on
recrée ainsi les propulseurs entre chacune d'elle, figures 17 et 18. Le
cerceau unidimensionnel et les propulseurs sont joints au rotor par les
protrusions du rotor carbone-carbone qui entrent dans les cavités des
ailettes, voyez la figure 16 et la figure 28. D'autres figures montrent aussi
ce principe de joint. II permet un déplacement radial vers l'extérieur
seulement. Ceci dimïnue les contraintes liées aux différences d'expansion
centrifuge du rotor et du cerceau unidimensionnel.
15 La fibre de carbone unidimensionnelle possède une contrainte de
rupture égale à celle des fibres. II va de soit que la résistance spécifique
de ce matériau est plusieurs fois supérieure à celle du composite
carbone-carbone. Les roues d'inertie avec cerceau de fibre de carbone
ont la particularité de solliciter les fibres d'une manière unidirectionnelle,
20 ce qui assure une distribution optimale des contraintes: tout le matériau
est également sollicité. Le rotor ne soutenant plus les propulseurs, peut
ainsi être beaucoup plus mince en remplissant son unique et nouvelle
fonction de positionnement spatial du cerceau 1 D et des propulseurs.
Un avantage du concept global B est la possibilité de réduire les
25 pertes de puissance par frottement aérodynamique sur les parois et la
périphérie du rotor en y abaissant la pression ambiante, voir figure 23.
Cette éventualité n'est pas considérée dans les calculs d'évaluation des
performances de la présente étude.
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Aussi, la configuration interne des propulseurs renvoie l'interface
pales/boitier sur la paroi interne des pales plutôt que sur la paroi externe,
comme c'est le cas des turbomachines traditionnelles. La quantification
des pertes en bout de pales est donc inconnue. Le joint entre les pales
5 et la paroi interne engendrera certainement des pertes mais puisque la
pression sur la paroï interne est moins élevée que sur la paroi externe, il
est possible d'envisager une réduction des pertes par rapport aux
turbomachines conventionnelles.
Outre les grandes vitesses périphériques possibles, les cerceaux
10 unidirectionnels de composite ont un mode de rupture par propagation de
fissure transversale aux fibres. Ce mode est favorable car la rupture est
moins catastrophique que la rupture des rotors métalliques isotropes
[DANFELT 77J. Dans un cerceau unidimensionnel, une fissure doit
traverser chaque fibre pour provoquer la rupture ce qui limite l'expulsion
15 des différentes parties du rotor à de fortes vitesses de translation, comme
le font les rotors métalliques.
Malgré que l'évaluation quantitative de la transmission de chaleur
est omise dans cette étude, il importe de mentionner quelques aspects
influençant le design. Puisque la charge est totalement reprise par les
fibres, la matrice polymérique ne fait que les maintenir en position
[ACEBAL 97,ACEBAL 99]. La limite de température pour une matrice
d'époxy serait de 200 °C, [LEE 90]. Des polymères plus résistants à la
température comme les polyimides permettraient une utilisation jusqu'à
300 °C, [LEE 90]. Avec d'aussi faibles températures, un refroidissement
25 adéquat est primordial. La combustion devra même être initiée sur la
paroi interne des propulseurs, de façon à limiter la zone de température
élevée sur la paroi externe des propulseurs. Un refroidissement par film
d'air serait aussi à considérer si besoin ï1 y a.
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i n
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Pour éliminer le besoin de refroidir l'interface propulseurs/cerceau
unidimensionnel, une matrice de carbone, donc un composite
carbone/carbone pourrait être utilisée. La contrainte ultime serait
cependant de (ordre de 1500 MPa, [V1IEETON 87], plutôt que de la pleine
valeur des fibres de 3100 MPa, [ACEBAL 99].
Idéalement, i! faudrait éliminer la matrice du composite de frbre de
carbone, en guidant l'enroulement des fibres par des parois latérales
situées de part et d'autre des propulseurs. L'assemblage des propulseurs
forme défia une entité stable et autobloquante. La fibre de carbone
pourrait être enroulée dans le créneau extérieur des propulseurs ainsi
formé et leur cohésion serait assurée par le frottement entre chaque fibre.
L'assemblage ressemblerait à une bobine de fil. Ainsi, il n'y aurait aucune
limite de température et tout le systéme de refroidissement pourrait être
éliminé. La masse des propulseurs et donc le niveau de contrainte dans
le cerceau 1 D seraient de beaucoup réduits.
Caractéristiques de i'invention
Les dimensions du concept final développé dans ce projet peuvent
être ajustées, par exemple en les soumettant à un facteur de proportion
géométrique. Si la taille du moteur est réduite d'un facteur x, son volume
est réduit d'un facteur x3 et sa puissance d'un facteur x2. La puissance
spécifique augmente alors d'un facteur x. En utilisant ce phénomène
d'échelle, une configuration à 4 rotors produisant la même puissance que
le concept final à 1 rotor à l'échelle 1:1 est élaborée. La figure 30 illustre
le concept final à 1 rotor et le concept à 4 petits rotors. Le concept à 4
rotors possède la méme configuration que les turbocompresseurs
destinés aux moteurs d'automobiles. Ce concept implique le
positionnement des composantes de turbomachinerie aux extrémités de
l'arbre.
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L'évaluation de la puissance spécifique du concept final à 1 et 4
rotors est présentée au tableau 1. Au total, le concept à 4 rotors amène
une augmentation de puissance spécifique de 25% par rapport au
concept à 1 rotor. En plus, il est d'autant plus intéressant que le couplage
de 2 rotors par un arbre élimine la nécessité de supporter les rotors par
des roulements des 2 cotés. Ainsi, le boîtier recouvrant les rotors n'est
pas structural. II peut donc étre plus léger. Le plus intéressant est
l'annulation des forces axiales parasites par la symétrie miroir des 2
rotors, sans que la ligne de force ne traverse de roulements. La boîte de
réduction est aussi plus légère car sa postition au coeur des 2 arbres
soutenant les rotors permet d'utiliser un boîtier structural compact
intégrant à la fois la boîte de réduction et les 2 arbres. II est supposé
qu'une telle boîte de réduction aurait 80% de la masse d'une boîte non-
structurelle conventionnelle, comme celle du concept à 1 . rotor. Le
concept à 4 rotors offre aussi la possibilité de faire tourner les arbres
supportant les rotors dans des sens opposés par le biais d'un engrenage
supplémentaire d'un coté. Les vecteurs moments cinétiques des rotors
s'annuleraient entre eux et le véhicule portant le moteur ne subirait pas
les efforts gyroscopiques liés aux changement des moments cinétiques
20 lors de manoeuvres quelconques.
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Tableau 1: Puissances spécifiques du concept final avec 1 et 4 rotors
Composante 1 rotor, ch. 4 rotors, ch. 1
1 : 1 : 2
kg kg (pour 4 rotors)
Rotor CC 8.65 4.33
Propulseur CC 1.68 0.84
Cerceau 1 D 8.36 4.18
Arbre du (des) rotors)2.66 5.00
Total turbomachinerie21.4 14.4
Chssis turbomachinerie13.7 6.85
Boite de rduction 81 65
+
accessoires
Mase totale 116 86.2
Puissance nette(hp) 1350 1350
~
Puissance 5.28 7.10
spcifique(hp/Ib)
Applications et comparaison avec les technologies actuelles
Le concept de moteur présenté dans la présente demande devrait
avantageusement ëtre utilisé pour des applications priorisant la
puissance spécifique. Les champs d'application potentiels seraient entre
autres:
- l'aérospatiale;
- la propulsion de véhicules hybrides; et
- la micromécanique.
Peu importe le domaine d'utilisation, si le moteur est utilisé dans
une machine autonome, il faut alors s'assurer que la durée d'utilisation
avant ravitaillement en carburant rend le moteur intéressant en terme de
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masse totale transportée. La figure 29 montre la puissance spécifique
incluant la masse du carburant en fonction du temps d'utilisation du
concept final à 4 rotors ainsi que d'un turbomoteur et d'un moteur à
piston.
Par cette figure, il est indéniable que le moteur selon la présente
invention peut être intéressant pour les applications demandant de
grandes puissances pendant de courtes périodes de temps. En
comparaison avec un turbomoteur fonctionnant à l'hydrogène, la durée
d'utilisation doit être inférieure à 15 minutes pour rendre le moteur selon
10 la présente invention plus intéressant. En comparaison avec un
turbomoteur conventionnel au kérosène, cette période est de 1 heure 15
minutes et pour un moteur à piston conventionnel, de 2 heures.
Aérospatiale
II y a quelques applications aéronautiques et aérospatiales
nécessitant de faibles périodes d'utilisation. Comme situations
potentielles, il y aurait:
- les outils mécaniques des stations spatiales;
- le maintien de la stabilisation gyroscopique des satellites;
- la génération de puissance pour armes spatiales (ex: laser ou
canon électrique);
- le déploiement de puissance électrique primaire de futures
stations spatiales humaines;
- la motorisation de mécanisme (ex.: pompe) pendant le décollage
d'engins spatiaux;
- la propulsion de véhicule de vol personnel (jet pack).
Véhicule hybride
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Dans le domaine automobile, les recherches de technologie
pouvant remplacer les moteurs à combustion interne sont actuellement
en phase de divergence [BIRCH 01]. Le concept de moteur selon la
présente invention arrive à point.
5 Ä cause de sa faible plage d'utilisation et de son importante inertie,
le moteur de la présente invention serait difficilement utilisable en
remplacement d'un moteur à piston dans un véhicule à essence
conventionel, sans l'utilisation d'une transmission infiniment variable
(CVT). Le grand avantage d'utiliser le moteur selon la présente invention
10 comme générateur dans les véhicules hybrides est l'utilisation du groupe
de propulsion électrique comme transmission infiniment variable. Le
moteur peut alors fonctionner à des régimes quasi-constants.
Dans les véhicules hybrides, les moteurs à piston sont utilisés
comme générateurs et moteurs d'appoint pour palier soit à la faible
15 puissance ou à la faible autonomie des batteries. Le moteur selon la
présente invention pourrait le remplacer en fonctïonnant soit avec un
carburant fossile, soit avec l'hydrogène.
Le moteur selon la présente invention devient particulièrement
intéressant en combinant les fonctions de roue d'inertie et de générateur
de puissance d'appoint pour les véhicules munis de pile à hydrogène. Le
carburant est alors mis en commun. Lors de fortes demandes de
puissance, le moteur servant également de roue d'inertie et donc déjà en
rotation, est activé et quelques fractions de seconde plus tard, une
puissance de 50 ou 100 hp supplémentaires apparaiï. Avec cette
configuration, le gaïn de masse est important car en combinant ses
propriétés de roue d'inertie et de moteur, les seules composantes
supplémentaires devant étre intégrées au véhicule sont la boite de
réduction et la génératrice tandis que la pile peut être beaucoup plus
petite en masse et en volume. La roue d'inertie peut alors servir de
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dispositif d'accumulation d'énergie pour le freinage regénératif.
L'accumulateur est alors mécanique plutôt qu'électrique et les lourdes
batteries deviennent de moins en moins nécessaires. Par exemple, les
essais du prototype Ford Focus à pile à hydrogène témoignent du
5 mauvais rapport puissance/masse de ce type de véhicule avec 90 hp
pour 3858 Ib [BIRCH 01]. Pour augmenter la puissance, l'emploi de
batteries est proscrit car la masse du véhicule est déjà trop élevée. Ne
servant alors que pour niveler les pointes de demande énergétique, la
durée de vie du moteur devient moins cruciale car le fonctionnement à
haute température n'est pas requis à 100% du temps. Avec les besoins
de puissance compensés par le moteur, la pile à hydrogène peut alors
être maximisée en fonction du rendement et donc de sa densité
énergétique.
Aussi, ne camportant que peu de composantes critiques, le
15 moteur de la présente invention se prête bien à la production destiné aux
grands marchés.
Les véhicules électriques requérant une puissance
particulièrement élevée pendant de courtes périodes de temps sont entre
autres les véhicules d'urgence (police, pompier et ambulance) ainsi que
les voitures de sport.
Micromécanique
Dans certaines applications de la micromécanique, des versions
miniaturisées du moteur peuvent étre alimentées en carburant par une
source externe (applications non autonomes en énergie). La
consommation ne devient plus un problème et la grande puissance
spécifique permet méme de miniaturiser davantage le moteur.
Résumé
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Caractéristiques:
Le principal concept de l'invention proposée concept global B) est
issu d'une fusion des technologies des roues d'inertie et de la propulsion.
Un cerceau unidirectionnel en fibre de carbone soutient des propulseurs
dérivés des RAMAC et des statoréacteurs en rotation. Le nombre de
Mach relatif à l'entrée est de 2.57 au régime maximum, ce qui correspond
à une vitesse périphérique de 1200 m/s. Ä ce jour, les principaux
domaines d'applications potentiels du moteur proposé sont l'aérospatiale,
les véhicules hybrides et la micromécanique.
Avantages:
- La puissance spécifique du moteur proposé à 4 rotors est de 7.1 hp/Ib,
soit 1.78 fois supérieure à celle des turbomoteurs de 4.0 hp/Ib.
- Le moteur est non polluant car il utilise l'hydrogène comme carburant.
- II a aussi le potentiel d'utiliser les hydrocarbures traditionnels.
- Le concept de moteur ne comporte qu'un seul assemblage critique à
dimensionner: le rotor. Celui-ci comporte 3 groupes de pièces: le rotor en
composite carbone/carbone, les propulseurs et le cerceau en fibre de
carbone.
- Combine les fonctions d'accumulation de puissance mécanique par
roue d'inertie et de génération de puissance mécanique.
II va de soi que la présente invention fut décrite à titre purement
indicatif et qu'elle peut recevoir plusieurs autres aménagements et
variantes sans pour autant dépasser le cadre de la présente invention tel
que délimité par les revendications qui suivent.
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Bibliographie
[ACEBAL 1997] ACEBAL, R. (janvier 1997) Shape Factors for
Rotating Machines,lEEE Transactions tin Magnetics, vol. 33, no 1, p.
753-762.
5 [ACEBAL 1999] ACEBAL, R. (janvier 1999) Energy Storage
Capabilities Of Rotating Machines Including A Comparison Of Laminated
Disk And Rim Rotor Composite Designs, IEEE Transactions on
Magnetics, vol. 35, no 1, p. 317-322.
[AEI 2000] ANONYME. (janvier 2000) Engine briefs, Automotive
Engineering International, vol. 108, no 1, p. 61-63.
[AVERY 1955] AVERY, W. H. (novembre 1955) Twenty-Five Years
of Ramjet Developpement, Jet Propulsion, vol. 25, no 11, p. 604-614.
[BATHIE 1996] BATHIE, W.W. (1996) Fundamentals of Gas
Turbines,New York, 2e éd., John Wiley & Sons, 453 p.
15 [BAZERGUI et coll., 1993] BAZERGUI, A., BUI-QUOC, T., BIRON,
A., MCINTYRE, G., LABERGE, C. (1993) Résistance des matériaux,
Montréal, 2e éd., Éditïons de l'École Polytechnique de Montréal, 595 p.
[BEYER 1991] BEYER, W.H. (1991 ) CRC Standard Mathematical
Tables and Formula, Boca Raton, 29e éd., CRC Press, 609 p.
20 [BILLIG 1993] BILLIG, F.S. (juillet-août 1993) Research on
Supersonic Combustion, Journal of Propulsion and Power, vol. 9, no 4,
p. 499-514.
[BIRCH 2001] BIRCH, S. Quin 2001)Ford's Focus on the Fuel Cell,
Automotive Engineering International, vol. 109, no 6, p. 25-28.
25 [BLOCH et coll., 1999] BLOCH, G.S., COPENHAVER, W.W.,
O'BRIEN, W.F. (janvier 1999) A Shock Loss Model for Supersonic
Compressor Cascades, Journal of Turbomachinery, Transactions of the
ASME, vol. 121, no 1, p. 28-35.
[BROUILLETTE et coll., 1993] BROUILLETTE, M., ZHANG, F.,
30 FROST, D.L., CHUE, R.C., LEE, J.H.S., THIBAULT, P., YEE. C.
CA 02382382 2002-04-16
19
(septembre 1993) One-Dimensional Analysis of the Ram Accelerator,
First International Workshop on Ram Accelerator, St-Louis (France),
Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, 10 p.
[BRUCKNER et coll., 1993) BRUCKNER, A.P., HINKEY, J.B.,
BURNHAM, E.A., KNOWLEN, C. (septembre 1993) Investigation of 3D
Reacting Flow Phenomena in a 38 mm Ram Accelerator, First
International Workshop on Ram Accelerator, St-Louis (France), Institut
franco-allemand de recherches de Saint-Louis, 27 p.
[CAMBIER et coll., 1998) CAMBIER, J-L., TEGNER J.K. (juillet-août
1998) Strategies for Pulsed Detonation Engine Performance
Optimization, Journal of Propulsion and Power, vol. 14, no 4, p. 489-498.
[CARPENTER et coll., 1953] CARPENTER, P.J., RADIN E.J. (1953)
Investigation of a ramjet powered heliocopter rotor on the Langley
helicopter test tower, NACA Research Memorandum, RM L53D02, 32 p.
15 [CURRAN et coll., 1996) CURRAN, E.T., HEISER W.H., PRATT
D.T. (1996) Fluid Phenomena in Scramjet Combustion System, Annual
Review of Fluid Mechanics, vol. 28, p. 323-360.
[DANFELT et coll., 1977) DANFELT, E.L., HEWES S.A., CHOU, T.W.
(février 1977) Optimization of Composite Flywheel Design, International
20 Journal of Mechanical Sciences, vol. 19, no 2, p. 69-78.
[de CHAIR 1976] de CHAIR, R.S. (1976) Gas generators, US Patent
03971209.
[de CHAIR 1980] de CHAIR, R.S. (1980) Gas turbine engines, US
Patent 04199296.
25 [DUGGER 1969) DUGGER, G.L. (1969) Ramjets, New York, 1ere éd.,
AIAA, 130 p.
[FERRI 1973) FERRI, A. (1973) Mixing-Controlled Supersonic
Combustion, Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 5, p. 301-338.
[GEE et coll., 1991] GEE, S. M., LITTLE J. A. (février 1991) Oxidation
30 Behaviour and Protection of Carbon/Carbon Composites, Journal of
Materials Science, vol. 26, no 4, p. 1093-1100.
CA 02382382 2002-04-16
[GERHART et coll., 1992] GERHART, P.M., CROSS, R.J., HOCHSTEIN,
J.I. (1992) Fundamentals of Fluid Mechanics, Reading, 2e éd., Addison-
Wesley, 983 p.
[HILL et coll., 1992] HILL, P., PETERSON, C. (1992) Mechanics and
5 Thermodynamics of Propulsion, Reading, 2e éd., Addison-Wesley, 754
p.
[HERTZBERG 1993] HERTZBERG, A. (septembre 1993) The Ram
Accelerator: An adventure in Research, First International Workshop on
Ram Accelerator, St-Louis (France), Institut franco-allemand de
10 recherches de Saint-Louis, 15 p.
[HEYWOOD 1988] HEYWOOD, J.B. (1988) Intemal Combustion Engine
Fundamentals, New York, 1 ere éd., McGraw-Hill, 930 p.
[HUNCZAK 1950] HUNCZAK, H.R., KREMZIER, E.J. (1950)
Characteristics of Perforated Diffusers at Free-Stream Mach Number
15 1.90, NACA Research Memorandum, RM E50B02, 69 p.
[JOHN 1969] JOHN, J. (1969) Gas Dynamics, Boston, 1$~\grave
ere$ éd., Allyn and Bacon, 394 p.
[JUVINALL et coll., 1991] JUVINALL, R.C., MARSHEK, K.M. (1991)
Fundamentals of Machine Component Design, New York, 2e éd., John
20 Wiley \& Sons, 804 p.
[KNOWLEN et coll., 1993] KNOWLEN, C., BRUCKNER, A.P. (septembre
1993) Experimental Correlation of Ram Accelerator Hugoniot Theory,
First International Workshop on Ram Accelerator, St-Louis (France),
Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, 12 p.
25 [KÜNIG et coll., 1996] K~SNIG, W.M., HENNECKE, D.K., FOTTNER,
L. (janvier 1996) Improved Blade Profile Loss and Deviation Angle Models
for Advanced Transonic Compressor Bladings: Part II- A Model for
Supersonic Flow, Journal of Turbomachinery, vol. 117, no 1, p. 81-87.
[KOSAKA 1989] KOSAKA, K., KUWAHARA, T., OKAMOTO, H.,
YAMAOKA, Y., MITSUNO, M. (septembre 1989) Application of Carbon-
Carbon Composite to Scramjet Engines, Proceedings of the 9$~th$
International Symposium on Air Breathing Engines, Washington DC,
AIAA, vol. 1, A90-12501 02-07, p. 359-364.
CA 02382382 2002-04-16
21
[KANTROWITZ 1946] KANTROWITZ, A. (1946) The Supersonic
Axial-Flow Compressor, NACA Report 974, ARC L6D02, p. 473-481.
[LAWLOR 1994] LAWLOR, S.P. (1994) Method and apparatus for
power generation, US Patent 05372005.
5 [LAWLOR 1998] LAWLOR, S.P. (1998) Method and apparatus for
power generation using rotating ramjet which compresses inlet air and
expands exhaust gas against stationary peripheral wall, US Patent
05709076.
[LAWLOR 2002b] LAWLOR S.P. (2002) Method and apparatus for
power generation using rotating ramjet, US Patent 6,347,502.
[LAWLOR 2002a] LAWLOR, S.P. (2002) Ramjet engine for power
generation, US Patent 6,334,299.
[LAWLOR 2001c] LAWLOR, S.P. (2001) Ramjet engine for power
generation, US. Patent 6,298,653.
15 [LAWLOR 2001 b] LAWLOR, S.P. (2001) Modular multi-part rail mounted
engine assembly, US Patent 6,279,309.
[LAWLOR 2001a] LAWLOR, S.P. (2001) Apparatus and method for fuel-
air mixing before supply of low pressure Jean pre-mix to combustor for
rotating ramjet engine driving a shaft, US Patent 6,263,660.
20 [LEE et coll., 1994] LEE, J., FROST, D., BROUILLETTE, M. (1994)
Investigation of The Potential and Limitations of The Ram Accelerator,
Rapport final/Defense Research Establishment Suffield, (s.éd.), McGill
University.
[LEE 1990] LEE, S.M. (1990) International Encyclopedia of Composites,
25 1ere éd.,VCH Publishers, tome 1, 563 p.
[LEZBERG et coll., 1956] LEZBERG, E.A., BLACKSHEAR, P.L.,
RAYLE, W.D. (1956) Weight flow and thrust limitations due to use of
rotating combustors in a turbojet engine, NACA Research Memorandum,
RM E55K16, 22 p.
CA 02382382 2002-04-16
22
[LOTH et colt., 1993] LOTH, E., LOTH, J.L. (septembre 1993)
Detonation Internat Combustion Engine Concept, Proceedings of the
15$~th$ Annual Fall Technical Conference of the ASME Internat
Combustion Engine Division, Morgantown (WV), ASME Internat
5 Combustion Engine Division, vol. 20, p. 177-185.
[MANSON 1947] MANSON, S.S. (1947) Determination of Elastic
Stresses in Gas-Turbine Disks, NACA Report 871, NACA-TN-1279, 11
p.
[MANSON 1950] MANSON, S.S. (1950) Direct Method of Design and
10 Stress Analysis of Rotating Disks with Temperature Gradient, NACA
Report 952, 14 p.
[MONKS 1984] MONKS, S.A. (1984) Preliminary Assessment of a
Rotary Detonation Engine Concept, Naval Postgraduate School, (s.éd.),
113 p.
15 [PRUETT 2000] PRUETT, G. ( février 2000) Conversation par courrier
électronique, Hitco Carbon Composite inc.
[PWC 1997a] PRATT & WHITNEY CANADA. (1997)
Customer Training PW206, Montréal, (s.éd). 302 p.
[PWC 1997b] PRATT & WHITNEY CANADA. (1997)
20 Pamphlet 22049, Montréal, (s.éd). 2 p.
[PROCTOR 1998] PROCTOR, P. (mai 1998) Pulse Detonation
Technologies Advance, Aviation Week and Space Technology, vol. 148,
no 18, p. 48-50.
[RADIN et colt., 1953] RADIN, E.J., CARPENTER, P.J. (1953)
25 Comparison of the Performance of a Helicopter Type Ramjet Engine
Under Varions Centrifugal Loadings, NACA Research Memorandum, RM
L53H 18a, 17 p.
[RAMGEN 2001] RAMGEN POWER SYSTEMS Quillet 2001)
www.ramgen.com.
30 [RILEY 1994]RILEY 94 RILEY, R.Q. (1994) Alternative Cars in the 21st
Century, Warrendale, 1ere éd., SAE, 396 p.
CA 02382382 2002-04-16
23
[SHAPIR01953] SHAPIRO, A.H. (1953) The Dynamics and
Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, New York, 1$~\grave ere$
éd., The Ronald Press Company, 2 tomes, 1185 p.
[SCHMIDT et coll., 1999] SCHMIDT, D.L., DAVIDSON, K.E.,
THEIBERT, L.S. (juillet-août 1999) Unique Applications of Carton-Carton
Composite Materials (Part Two), SAMPE Journal, vol. 35, no 4, p. 51-63.
[THOMPSON 1984]THOMPSON, P.A. (1984) Compressible-Fluid
Dynamics, États-Unis, 1 ere éd., The Maple Press Company, 665 p.
[TWEEDT et coll., 1988] TWEEDT, D.L., SCHREIBER, H.A.,
STARKEN, H. (octobre 1988) Experimental Investigation of the
Performance of a Supersonic Compressor Cascade, Journal of
Turbomachinery, vol. 110, no 4, p. 456-466.
[UEDA et coII.J UEDA, S., KUMAGAI, T., MIYAJIMA, H.,
KUWAHARA, T., KOSAKA, K., NAGASHIMA, R. (mai 1988) Fabrication
and Test of a Carton-Carton Composite Combustion Chamber for a Low
Thrust Storable Engine, Proceedings of the 16$~th$ International
Symposium on Space Technology and Science, Tokyo (Japon), AGNE
Publishing, vol. 1, A89-38031 16-12, p. 229-234.
[VAN WYLEN et coll., 1992] VAN WYLEN, G.J., SONNTAG, R.E.,
DESROCHERS, P. (1992) Thermodynamique appliquée, Montréal, 2e
éd., Édition du renouveau pédagogique, 781 p.
[V1IEETON et coll., 1987] WEETON, J.W. et colt. (1987) Engineer's
Guide to Composite Materials, Ohio,1ere éd., Metals Park, p. 8.39-44.
[WEIDMANN et coll., 1990] WEIDMANN, G., LEWIS, P., REID, N.
(1990) Structural Materials, London, 1 ere éd., Butterworth Scientific, 430
p.
[YORK et coll., 1976] YORK, R.E., WOODWARD, H.S. (avril 1976)
Supersonic Compressor Cascades-An Analysis of the Entrance Region
Flow Field Containing Detached Shock Waves, Journal of Engineering for
Power, Transactions of the ASME, p. 247-257.
