Rotor à pales orientables

Domaine de l’invention

La présente invention concerne d’une façon générale les rotors à pales orientables pour différentes applications fluidiques, notamment du type générique décrit dans les documents W02014006603A1 , WO2016067251 A1 et WO2017168359A1 , et notamment un propulseur pour navire habité ou non habité.

Etat de la technique

Le document WO2016067251 A1 décrit un rotor dans lequel l’inclinaison maximale des pales au cours de la rotation peut être ajustée à l’aide d’un mécanisme opérant par translation le long de l’axe du rotor.

Résumé de l’invention

La présente invention vise à propose un rotor dont la direction de travail puisse être orientée sur 360° et dont l’inclinaison maximale des pales puisse être commandée facilement au cours de la rotation du rotor, tout en étant robuste et compact.

On propose à cet effet un rotor fluidique, comprenant une structure tournante de rotor montée sur une embase et portant un ensemble de pales orientables capables d’osciller en relation avec la rotation de la structure tournante de rotor autour d’un axe de rotor, et un ensemble de transmission entre un arbre central du rotor et chacune des pales, apte à commander les variations d’inclinaison des pales lors de la rotation du rotor, l’ensemble de transmission comprenant une platine de commande mobile supportant un ensemble d’organes de transmission pour les pales respectives, platine dont la position angulaire détermine un angle maximal d’inclinaison des pales lors de la rotation du rotor, le rotor comprenant en outre un dispositif de commande comprenant un arbre d’entraînement solidaire d’un support des pales recevant l’ensemble de transmission, apte à être commandé par un moteur principal pour entraîner le rotor en rotation, et un arbre de réglage pour commander la position angulaire de la platine de commande, le dispositif de commande comprenant en outre une transmission de type réducteur/différentiel portée par l’embase et dont la position angulaire peut être commandée pour faire varier, au cours de la rotation du rotor, la position angulaire relative de l’arbre d’entraînement et de l’arbre de réglage et ainsi faire varier au cours de la rotation l’inclinaison angulaire maximale des pales.

Certains aspects préférés mais optionnels de ce rotor sont les suivants :

* le rotor comprend des moyens de commande de l’orientation de l’arbre central pour déterminer l’orientation de travail du rotor eu égard au flux fluidique généré ou reçu.

* le rotor comprend un moteur principal porté par l’embase et en prise avec l’arbre d’entraînement.

* le rotor comprend un moteur de réglage d’inclinaison maximale des pales porté par l’embase et en prise avec une cage de la transmission de type réducteur/différentiel.

* le rotor comprend un moteur de réglage de l’orientation de travail du rotor, porté par l’embase et en prise avec l’arbre ce central.

* les trois arbres sont coaxiaux.

* les trois moteurs, la transmission de type réducteur/différentiel et les moyens de mise en prise des moteurs avec les éléments associés sont répartis autour de l’axe commun des trois arbres.

* les moyens de mise en prise comprennent des courroies crantées associées à des poulies et/ou pignons crantés.

On propose également selon l’invention une unité de propulsion comprenant un rotor tel que défini ci-dessus, l’embase étant configurée pour le montage du rotor dans un puits formé dans la coque d’un engin nautique habité ou non.

Brève description des dessins

D’autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d’une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif et faire en référence aux dessins annexés. Sur les dessins :

- la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d’un rotor selon l’invention,

- la Fig 2 est une vue schématique en plan, partielle, du rotor de la Figure 1 ,

- la Fig. 3 est une vue en perspective d’un rotor implémentant les schémas des Figs. 1 et 2,

- la Fig. 4 est une vue en perspective d’ensemble, en vue plongeante, d’un rotor selon l’invention,

- la Fig. 5 est une vue en coupe axiale du rotor, illustrant la cinématique d’une pale en particulier,

- la Fig. 6 est une vue en perspective contre-plongeante d’un sous- ensemble du rotor permettant un réglage de l’amplitude maximale d’oscillation des pales,

- la Fig. 7 est une vue en perspective plongeante d’une partie de la structure et des éléments de la cinématique du rotor,

- la Fig. 8 est une vue en perspective plongeante des seuls éléments intervenant dans la cinématique du rotor, et

- la Fig. 9 est une vue en plan illustrant les éléments de la cinématique dans deux positions différentes de réglage de l’amplitude maximale d’oscillation des pales.

Description détaillée d’une forme de réalisation préférée

En référence aux Figs. 1 et 2, on a représenté une embase 1 de rotor à pales orientables qui comprend une partie 101 formant une plaque d’ossature et une partie 102 formant un cylindre creux érigé vers le haut.

Dans ce cylindre 102 est monté pivotant autour d’un axe vertical un arbre d’entraînement creux 2 du rotor à pales orientables, dont on décrira un exemple de réalisation plus loin, via des roulements appropriés. Cet arbre d’entraînement 2 est solidaire d’une poulie crantée 201 pour son entraînement en rotation et donc l’entraînement en rotation du rotor. La poulie 201 est en prise avec un pignon cranté 202 monté sur l’arbre de sortie 204 d’un moteur principal 203 fixé sur l’embase latéralement par rapport à un axe principal du rotor.

Il s’agit ici d’un moteur électrique, mais le rotor pourrait tout à fait être entraîné par un moteur thermique.

La transmission entre la poulie 201 et le pignon 202 est réalisée ici par une courroie crantée C1 .

Au-dessus de la poulie 201 se trouve une autre poulie crantée 205 également solidaire en rotation de l’arbre 2 et qui est en prise avec une première poulie crantée 304 d’un dispositif de transmission 300 de type réducteur/différentiel à train épicycloïdal, de type connu en soi.

Ce dispositif 300 possède un axe central principal 302 par lequel il est monté pivotant sur une platine 103 solidaire de la partie 201 de l’embase, sensiblement du côté opposé au moteur d’entraînement 203. Il comprend une cage 301 abritant le train épicycloïdal globalement désigné par la référence 303, la poulie crantée 304 recevant la rotation de l’arbre 2 via une courroie crantée C2 et une poulie 305 crantée dont la rotation, par rapport à la rotation de la poulie 304, peut être déphasée d’une valeur qui dépend de la position angulaire de la cage 301.

De façon connue en soi et représentée schématiquement, le train 301 comprend des engrenages satellites en prise avec deux étages d’engrenages planétaires en prise avec les poulies 304 et 305 respectivement. Bien entendu, les nombres de dents des différents éléments du dispositif 300 sont choisis pour que la vitesse de rotation de la poulie de sortie 305 soit identique à celle de la poulie d’entrée 304 avec l’éventuel déphasage précité.

La position angulaire de la cage 301 est commandée par un moteur 306 (typiquement un moteur électrique) en prise avec la cage (qui possède une partie extérieure formant poulie crantée), via un pignon cranté 307 de sortie du moteur 306 et une courroie crantée C4. Le moteur 306 est fixé sur l’embase 1 au voisinage du dispositif 300. La poulie de sortie 305 est en prise avec un arbre de réglage 5 pour la commande de l’inclinaison maximale des pales, concentrique avec l’arbre 2, via une courroie crantée C3 et un pignon 501 solidaire en rotation dudit arbre 5. Ainsi les arbres 2 et 5 tournent à la même vitesse, avec un déphasage angulaire réglable qui dépend du réglage de la position angulaire de la cage 301 effectué grâce au moteur 306. Le changement de réglage peut s’effectuer durant la rotation sans difficulté. Une platine 10 située dans le tambour 3 et dont le rôle sera explicité dans la suite est solidaire en rotation de l’arbre de réglage 5.

On décrira dans la suite la façon dont ce déphasage angulaire est exploité au niveau de l’étage de commande d’angulation des pales pour faire varier l’angle d’inclinaison maximale des pales au cours de la rotation.

Enfin un arbre central 6 du rotor, concentrique avec les arbres 2 et 5, détermine la direction de travail du rotor, que ce soit en génération ou en récupération de flux de fluide. Cet arbre possède une poulie crantée 601 en prise avec l’arbre de sortie d’un moteur 306 (typiquement un moteur électrique) fixé sur l’embase 1 .

On observe sur la Fig. 2 que les différents éléments décrits ci-dessus sont répartis autour des arbres concentriques 2, 5 et 6, permettant ainsi de diminuer l’encombrement axial de la partie de commande du rotor.

Un exemple de réalisation des éléments décrits ci-dessus et d’un rotor associé est illustré sur la Fig. 3.

Ainsi on obtient un dispositif de commande avec trois arbres coaxiaux, à savoir un arbre intérieur 6 déplaçable angulairement pour régler la direction de travail du rotor, un arbre intermédiaire 5 ajustable en rotation pour commander le déplacement angulaire de la platine du dispositif de réglage de l’amplitude d’oscillation, et un arbre extérieur par lequel le rotor tourne par rapport à l’embase fixe 1 , l’agencement des trois arbres pouvant toutefois être différent. On va maintenant décrite la structure du rotor, et en particulier l’architecture de commande de l’inclinaison des pales au cours de la rotation grâce au déphasage réglable entre les arbres 2 et 5.

La structure tournante 2, 3 du rotor est montée à rotation sur l’embase 1 et porte un ensemble de pales orientables 4 capables d’osciller en relation avec la rotation de la structure tournante autour de son axe.

On trouve un ensemble de dispositifs de transmission entre l’arbre central du rotor et chacune des pales, aptes à commander individuellement les oscillations desdites pales, chaque dispositif comprenant deux éléments pivotants d’axes de pivotement décalés, l’un portant une fente et l’autre portant un doigt dans lequel est engagée la fente.

Les deux éléments pivotants de chaque dispositif de transmission peuvent être dans cet exemple des éléments intermédiaires d’une transmission individuelle constituée d’un ensemble d’éléments en prise les uns avec les autres entre ledit arbre central et les pales.

Le rotor peut comprend en outre, facultativement, les caractéristiques suivantes :

* lesdits éléments d’un dispositif de transmission sont des éléments dentés en prise directe les uns avec les autres.

* les deux éléments pivotants d’axes de pivotement décalés comprennent un premier élément intermédiaire en prise avec un élément axial solidaire de l’arbre central, et un second élément intermédiaire en prise avec un élément solidaire en rotation d’une armature de la pale associée.

* le doigt d’un dispositif de transmission est monté directement dans l’un des éléments intermédiaires.

* la fente d’un dispositif de transmission est prévue dans un élément rapporté sur la fente d’un dispositif de transmission est formée dans un second des éléments intermédiaires.

* le rotor comprend un dispositif commun de réglage de l’amplitude maximale d’oscillation des pales, ce dispositif comprenant une platine apte à tourner autour de l’axe de rotor et portant des pivots des premiers ou deuxièmes éléments intermédiaires de chacune des transmissions, de façon à faire varier la distance entre les axes de pivotement des premiers et seconds éléments intermédiaires en direction circonférentielle.

* le rotor comprend, concentriques autour de l’axe du rotor, un arbre intérieur constituant l’arbre central du rotor, déplaçable angulairement de façon à provoquer un changement d’inclinaison global correspondant des pales par l’intermédiaire des dispositifs de transmission, un arbre intermédiaire ajustable en rotation pour commander le déplacement angulaire de la platine du dispositif de réglage d’amplitude, et un arbre extérieur appartenant à la structure tournante du rotor.

* l’arbre extérieur est solidaire d’un tambour creux abritant ladite platine et les dispositifs de transmission et sur une paroi duquel les pales sont montées pivotantes.

* un arbre axial fixe et la structure tournante de rotor portent des éléments intérieur et extérieur d’une machine tournante rotative, l’élément porté par la structure tournante étant apte à générer de l’énergie au sein de ladite structure tournante sous l’effet de sa rotation relativement à l’élément porté par l’arbre central.

Maintenant plus en détail et en référence aux Figs. 4 à 9, le rotor décrit ici permet un gain en encombrement et/ou en poids d’un rotor à pales orientables basé sur une pluralité de transmissions excentriques associées respectivement à la pluralité de pales, et permet de mettre en œuvre le réglage de l’amplitude maximale d’oscillation des pales au cours de la rotation du rotor grâce au mécanisme de déphasage décrit ci-avant en référence aux Figs. 1 à 3.

Le rotor décrit ici reprend le principe du décalage angulaire des pales lors de la rotation d’un rotor, tel que décrit dans les documents W02014006603A1 , WO2016067251 A1 et WO2017168359A1 en utilisant par exemple un couplage doigt/fente sur éléments tournants excentrés tel que décrit dans WO2017168359A1 , avec un agencement différent. Plus précisément, on prévoit ce couplage en tant que couplage intermédiaire de la chaîne cinématique, ici un train de pignons, allant de l’arbre central du rotor à la pale respective.

En référence aux dessins et en particulier tout d’abord à la Fig. 4, l’embase 1 est prévue pour être montée dans un puits dans le cas d’une application propulseur, et comme on l’a vu elle supporte de façon rotative l’arbre principal 2 du rotor, qui est solidaire en rotation du tambour 3. Les pales

4 sont montées sur le tambour en pouvant tourner autour d’un axe respectif. Ici seules les trois armatures 4a des pales, de section en l’espèce rectangulaire, sont illustrées, les pales étant enfilées de préférence de façon démontable sur ces armatures. Une seule des pales 4 est illustrée en tiretés. On a ici trois pales régulièrement espacées de 120° l’une par rapport à l’autre autour de l’axe du rotor, mais ce nombre peut être quelconque.

L’arbre 5 de commande de pas d’inclinaison des pales tourne en même temps que l’arbre principal 2 et la transmission réducteur/différentiel décrite plus haut permet de faire modifier légèrement la position angulaire de cet arbre

5 par rapport à l’axe principal 2 en vue de régler le pas des pales.

Comme on l’a vu également, l’arbre 6 de commande de direction permet d’orienter directement et sur 360° la direction du flux, la commande en rotation de l’arbre 6 induisant une rotation correspondante du comportement de chacune des pales. Lorsqu’aucun changement de direction n’est à effectuer, l’arbre 6 reste dans la même position. Le dispositif d’entraînement de l’arbre 6 a été décrit plus haut. En lieu et place d’un moteur de commande relié à l’arbre 6 par une courroie comme décrit, on peut prévoir une commande mécanique par câble(s), train d’engrenages, etc., le pilotage s’effectuant par automate ou par une commande manuelle. La personne du métier saura choisir la solution qui convient.

On notera que dans le cas d’un rotor utilisé pour la récupération d’énergie, l’arbre 6 devient l’équivalent de l’axe du lacet et permet d’orienter les pales pour suivre la direction du fluide. En référence à la Fig. 5, on observe le support 1 portant l’arbre principal 2 du rotor qui entraine dans sa rotation le tambour 3 dont il est solidaire.

La région inférieure de l’arbre de commande 6 est solidaire d’un pignon 7 de type approprié (droit, hélicoïdal, à chevrons, à rattrapage de jeu, etc.). Ce pignon 7 est en prise avec un autre pignon 8 qui tourne autour d’un axe de pivotement 9 monté sur la platine en forme de disque 10 liée en rotation à l’arbre 5 de commande de pas.

Le pignon 8 est solidaire d’un élément 11 , typiquement en forme de disque, dans lequel est formée une fente 11a rectiligne ou incurvée. Dans la fente 11a peut coulisser un doigt ou galet 12 qui est solidaire d’un autre pignon 13, en étant monté de façon excentrée sur ce dernier. Le pignon 13 pivote autour d’un axe de pivotement 14 solidaire de la partie inférieure du tambour 3. Le pignon 13 engrène avec un pignon 15 qui est solidaire en rotation avec l’armature 4a de la pale correspondante, cette armature comprenant une partie supérieure, au-dessous du pignon 15, qui constitue son pivot dans une pièce 16 formant palier traversant solidaire de la base 3a du tambour 3.

Les différents éléments tournants sont montés en utilisant tous paliers ou roulements appropriés, non décrits en détail mais représentés sur la Fig. 5 sous leur forme normalisée.

On précise ici que le rapport de transmission global, dicté par le nombre de dents des différents pignons en prise entre eux, est choisi égal à 1 pour la transmission reprenne sa position d’origine après une rotation du rotor de 360°.

Dans un mode de réalisation, les pignons 7, 8, 13 et 15 possèdent le même nombre de dents, et ce nombre est par ailleurs avantageusement un multiple du nombre de pales équipant le rotor, ce qui permet d’assurer une répartition angulaire des dispositifs de transmission correspondant exactement à répartition des pales autour de l’axe principal.

On comprend qu’en modifiant la position angulaire de l’arbre 5 de commande d’amplitude maximale par rapport à l’arbre principal 2 du rotor, on vient effectuer un désalignement entre les axes de rotation respectifs des pignons 8 et 13, définis par leurs pivots 9, 14, dans la direction circonférentielle.

Lorsque ces axes sont confondus, alors le pignon 8 entraîne le pignon 13, via la fente 11a et le doigt 12, pour qu’ils se déplacent uniformément ensemble.

Du fait que tous les pignons ont ici le même nombre de dents, on comprend que l’orientation absolue du pignon 15 reste constante lors de la rotation du rotor, et donc la pale correspondante conserve une orientation absolue constante, la conception étant telle que, dans cette situation, chacune des pales présente cette même orientation absolue constante.

Lorsque la platine 10 est tournée en agissant sur l’arbre 5, alors les pivots 9 et 14 des pignons 8 et 13 se décalent l’un de l’autre dans la direction circonférentielle, ce qui crée un décalage angulaire périodique dans la cinématique des pignons 8 et 13 et, en conséquence, une oscillation de la pale 4 de part et d’autre de l’orientation constante précitée lors de la rotation du rotor.

Chaque pale est dotée du même mécanisme de transmission, et ces mécanismes sont configurés pour créer un mouvement des pales de type trochoidal, la cinématique réelle étant déterminée par la forme des fentes 11a et par le degré d’excentrement entre les axes de pivotement des pignons 8 et 13. Ainsi, plus cet excentrement est important, plus l’amplitude d’oscillation des pales est importante.

Le réglage de pas s’effectue à l’aide de la platine mobile 10 qui porte des axes de pivotement des éléments à fente. La commande angulaire de la platine 10 par rapport au corps du rotor 200 est réalisée via l’arbre de commande 5 qui ressort vers le haut comme décrit ci-avant. Les mouvements angulaires de la platine par rapport au rotor sont commandés par le dispositif de commande tel que décrit plus haut.

On observe que grâce à ce dispositif, il n’y a aucune nécessité d’utiliser des joints tournants ou équivalents pour commander la position angulaire de la platine au cours même de la rotation du rotor. Par ailleurs, lorsque l’on fait tourner l’arbre 6 de commande de direction, le pignon 7 tourne et entraîne de ce fait les différents mécanismes de transmission pour réorienter les pales 4 avec un écart angulaire correspondant exactement à l’écart angulaire appliqué à l’arbre 6.

On notera que l’ensemble fente/doigt créant l’oscillation peut comprendre un mécanisme de compensation de jeu, par exemple tel que décrit en référence aux Figs. 6A-6C du document FR3109187A1.

Comme on l’a déjà indiqué, chaque fente 11a peut être rectiligne ou incurvée de façon à faire varier à volonté, lors de la conception, la cinématique du mouvement alternatif de la pale par rapport à une évolution généralement sinusoïdale correspondant au cas où la fente est rectiligne.

La Fig. 6 montre plus en détail l’ensemble formant platine 10 d’ajustement de l’amplitude maximale d’oscillation des pales. On y voit l’arbre de commande 5 solidaire de la platine 10 portant les pivots des pignons 8 et des éléments 11 à fente 11a. On observe également sur cette figure que le pignon 7 de commande de direction est en prise avec chacun des pignons 8 solidaires en rotation des éléments 11 à fente. Les fentes sont ici débouchantes vers l’extérieur pour faciliter la fabrication et le montage, mais elles pourraient être fermées à leurs deux extrémités.

Sur la Fig. 7, on voit qu’une platine inférieure 3a du tambour 3 porte les pignons 15 solidaires en rotation des armatures 4a des pales, ainsi que les pignons 13 portants les doigts ou galets 12, montés dans des paliers borgnes 17 formés dans la base 3a du tambour.

La Fig. 8 illustre l’ensemble de la chaîne cinématique décrite pour chacune des trois pales, les différents éléments supports n’étant pas représentés.

Sur la gauche de la Fig. 9, la position de la platine 10 est telle que les axes de rotation des pignons 8 et 13 sont alignés : en conséquence et comme expliqué, les pales 4 restent orientées parallèlement les unes aux autres avec une orientation absolue constante. L’amplitude d’oscillation est nulle. Sur la droite de la Fig. 9, la position de la platine 10 est telle que les axes de rotation des pignons 8, 13 sont décalés circonférentiellement ; en conséquence, la cinématique est telle que les pales oscillent en décrivant une loi de type trochoïdale au cours de la rotation du rotor. Plus la distance entre les axes de rotations des pignons 8, 13 est élevée, plus l’amplitude de cette oscillation augmente.

On obtient ainsi un rotor particulièrement fiable tout en étant compact notamment en direction axiale (avec seulement deux plans pour les trains de pignons, en laissant ainsi plus de place pour le dispositif de commande) et radiale (avec le report de l’excentrement vers l’intérieur par rapport aux points de montage des pales) et d’un poids abaissé. En outre, la platine XXX peut être d’un diamètre réduit.

Le rotor décrit ci-dessus peut faire l’objet de nombreuses variantes et modifications :

- en premier lieu, on peut combiner le pignon 8 et le disque à fente 11 en une seule pièce, pour contribuer encore au gain dimensionnel en direction axiale et au poids,

- les paires de pignons 7, 8 et 13, 15 en prise directe peuvent être remplacées par des paires de galets reliés par des chaînes ou courroies crantées respectives, étant observé que l’inversion cinématique qui en résulte est dédoublée donc inopérante (seuls les éléments 8, 11 , 13 tournant dans le sens opposé par rapport à ce que l’on a décrit plus haut),

- la coopération fente 11 a/doigt 12 peut être inversée, le doigt 12 étant porté par le pignon 8 et le disque à fente 12 étant solidaire en rotation du pignon 13 (ou la fente étant intégrée à ce pignon).

Par ailleurs, indépendamment des mécanismes de transmission décrits plus haut et de la génération d’énergie in situ telle que décrite ci-dessus, on vise selon un autre aspect encore une structure de rotor comprenant trois arbres coaxiaux, à savoir l’arbre intérieur 6 déplaçable angulairement pour régler la direction de travail du rotor, l’arbre intermédiaire 5 ajustable en rotation pour commander le déplacement angulaire de la platine du dispositif de réglage de l’amplitude d’oscillation, et l’arbre extérieur 2 par lequel le rotor tourne par rapport à l’embase fixe 1 . L’arbre 2 est solidaire du tambour creux 2, de préférence étanche, abritant ladite platine et les dispositifs de transmission et sur une paroi duquel les pales sont montées pivotantes. La personne du métier saura prévoir pour la réalisation pratique du rotor décrit ici tout aménagement de guidage et de réduction des frottements tels que paliers, roulements, etc. et notamment ceux illustrés conventionnellement sur la Fig. 1 .

On notera que, bien que la présente description soit dédiée à un propulseur d’engin marin, habité ou non, la présente invention vise toutes applications d’un rotor à pales orientables, notamment trochoidal. Que ce soit pour générer un flux de fluide ou pour en récupérer l’énergie.