L'invention concerne un moteur thermique comprenant un circuit de compression et de détente d'un fluide de travail entre une source chaude et une source froide, qui utilise de l'énergie radiative comme source de chaleur et dans lequel, conformément à ce qu'on peut désigner comme un fonctionnement en "gyroréacteur", la compression du fluide de travail ainsi que la majeure partie de sa détente se font par l'intermédiaire du champ artificiel de gravitation d'un rotor tournant à grande vitesse.

On connaît des turbines à gaz qui peuvent transformer de l'énergie radiative en énergie mécanique, en utilisant les cycles thermodynamiques dits de JOULE ou de BRAYTON. Les compressions et les détentes du fluide de travail s'y font dans des compresseurs et des turbines classiques, à écoulement axial ou centrifuge.

Le rendement de ces turbines à gaz est relativement faible parce que les pertes dans les aubages fixes et mobiles y représentent une fraction nécessairement élevée de l'énergie utile et parce que les échanges de chaleur s'y réalisent à pression constante, avec de fortes variationsdes températures. Le fluide de travail est un gaz qui ne subit pasdechangement de phase. Dans un "gyroréacteur", le champ artificiel de gravitation d'un rotor entraîné à grande vitesse permet à la fois d'obtenir des rendements de compression et de détente extrêmement élevés et de réaliser des transferts simultanés de chaleur et d'enthalpie mécanique, avec de faibles variations de la température dans les échangeurs. Pour un écart donné des températures extrêmes jugées acceptables, le rendement global

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du convertisseur est ainsi considérablement accru. A titre d'exemple, pour des températures de gaz comprises entre 330 et 850°K, le rendement thermodynamique global du moteur peut atteindre 45 %, c'est-à-dire trois fois plus qu'avec une turbine à gaz classique, sans récupérateur, fonctionnant dans le même intervalle de températures .

D'autre part, la vitesse périphérique nécessaire pour réaliser un écart adiabatique de température donné entre les régions externes et le centre d'un rotor est d'autant plus faible que la chaleur spécifique du fluide de travail utilisé est elle-même réduite, d'où l'intérêt pour cet usage des gaz lourds comme le krypton et le xénon.

L'invention vise à améliorer encore les performances d'un tel moteur dans ses applications pratiques, à faciliter leur construction, à réduire leur masse et leur encombrement, et à les concevoir dans une forme convenant particulièrement bien aux applications spatiales.

Conformément à l'invention, l'utilisation directe d'un flux d'énergie radiative concentré à la périphérie d'un rotor permet d'éviter l'installation d'un circuit caloporteur secondaire de source chaude et elle contribue à l'uniformisation des températures dans la direction azimutale de la chaudière.

Ainsi l'invention a pour objet un moteur de conversion d'énergie radiative en énergie mécanique, comprenant un circuit de compression et de détente d'un fluide de travail constitué par un gaz circulant entre une source chaude et une source froide, caractérisé en ce que ledit circuit de fluide de travail est incorporé dans un rotor propre à être entraîné à grande vitesse autour d'un axe de rotation et en ce que ladite source chaude comporte un collecteur d'énergie radiative situé à la périphérie dudit rotor.

Suivant une forme de réalisation de l'invention, le moteur ainsi conçu peut constituer un moteur solaire, où l'énergie radiative exploitée est celle du soleil. A terre, il

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est utile, pour éviter les frottements du rotor dans l'air atmosphérique, que le moteur solaire soit enfermé dans une enceinte de confinement maintenue sous un vide assez poussé ou ne contenant qu'un gaz léger comme l'hydrogène ou l'hélium, sous une pression réduite.

Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, on évite l'emploi d'une telle enceinte, qui est inutile pour un moteur destiné à fonctionner dans l'espace extra-atmosphérique. L'invention convient donc plus particulièrement à l'entraînement de générateurs spatiaux d'électricité, auquel cas les moteurs suivant l'invention peuvent avantageusement être disposés au voisinage du foyer de miroirs de concentration de l'énergie solaire.

Les contraintes technologiques de fonctionnement d'un rotor suivant l'invention impliquent, de préférence, l'utilisation comme fluide de travail d'un gaz non corrosif et de faible chaleur spécifique, comme le krypton ou le xénon.

En outre, comme dans tous les dispositifs de conversion de l'énergie, il est souhaitable que l'obtention de rendements exceptionnellement élevés ne se fasse pas au détriment de la puissance fournie par unité de masse ou de volume, nonobstant le fait que les gaz de faible chaleur spécifique ont également une faible conductivité thermique.

En conséquence, une autre caractéristique des moteurs suivant l'invention consiste à mettre en œuvre, comme sources chaudes et/ou sources froides, des échangeurs où les diamètres hydrauliques du circuit principal, où circule le fluide de travail, sont très inférieurs à ceux des échangeurs utilisés dans les moteurs usuels. De tels échangeurs peuvent être réalisés au moyen d'empilements de lames très minces d'un métal très conducteur comme le cuivre, entretoisées et brasées pour constituer des éléments modulaires, l'épaisseur moyenne des conduits de gaz se limitant à une fraction de millimètre, par exemple entre 0,1 et 0, 5 mm.

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Ainsi des échangeurs réalisés à partir de lames de cuivre ajourées dont l'épaisseur initiale est de 4/10 mm permettent, à titre d'exemple, de transmettre une puissance thermique de l'ordre de 30 kilowatts par litre desdics échangeurs, pour des écarts de température entre les parois et le fluide de travail de l'ordre de 25°C.

La conception mécanique du moteur suivant l'invention se simplifie lorsque la source froide est constituée par un échangeur incorporé dans le même rotor qu'un collecteur d'énergie radiative constituant la source chaude. Le circuit secondaire de l'échangeur de source froide peut alors être parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire, formé d'ur. liquide, comme l'eau, ou d'un gaz léger, comme l'hydrogène ou l'hélium, qui entre et sort du rotor à travers des orifices ménagés préferentiellement dans l'axe de rotation et munis de garnitures d'étancheite, pour être lui-même refroidi à l'extérieur du rotor.

Dans une application préférée de l'invention, celle-ci a pour objet un moteur thermique destiné à entraîner un générateur d'électricité fonctionnant d ns l'espace réalisé par l'incorporation d'un circuit fermé véhiculant du xénor. dans un rotor unique, supporté par exemple par deux paliers magnétiques actifs et caractérisé par le fait que le circuit comprend successivement : 1) à la périphérie du rotor, des éléments chauffants lamellaires, où le gaz reçoit la chaleur du rayonnement solaire, concentré par des miroirs immobiles, lesdits éléments constituant des parois absorbantes conductrices thermiques, 2) des conduits radiaux, où le gaz se détend dans un mouvement centripète,

3} une turbine de type classique, à écoulement axial ou centripète, où le gaz continue à se détendre en cédant l'énergie mécanique libérée, par réaction sur un diffuseur relié mécaniquement au support fixe de la machine,

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4) un échangeur lamellaire de source froide, où le gaz commence à s'écarter de l'axe de rotation et cède la chaleur non transformée en travail à un circuit secondaire, ledit circuit secondaire étant lui-même relié à un radiateur externe, où cette chaleur est finalement rejetée dans l'espace,

5) des tubes radiaux, qui reconduisent le gaz depuis la sortie de l' échangeur de source froide jusqu'aux éléments chauffants et dans lesquels s'effectue l'essentiel de la recompression adiabatique.

On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention, qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative ; cette description est illustrée par des dessins annexés dans lesquels :

- la figure I représente une vue d'ensemble en coupe axiale du moteur thermique selon l'invention, muni de ses paliers,

- la f igure II représente une vue en coupe axiale du rotor proprement dit,

- la f igure III représente deux coupes f rontal es , respectivement dans le plan de symétrie de l ' armature 12 supportant les conduits radiaux de compression (Niveau A de la f igure I ) et dans un plan un peu décalé par rapport au précédent , à la sortie de 1 ' échangeur de source f roide 7 (Niveau A' de la figure I) ,

- la f igure IV représente deux coupes f ronta l e s , respectivement dans le plan de symétrie de l ' armature 17 supportant les conduits radiaux de détente (Niveau B de la figure I) et dans le plan de symétrie de 1 ' échangeur de source froide 7 (Niveau B ' de la figure I) .

- la figure V représente une coupe axiale et une coupe frontale de l ' un des 24 éléments chauffants du moteur , muni de

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son conduit de compression et de son conduit de détente - La figure VI représente une coupe frontale d'une variante de réalisation des éléments chauffants selon l'invention.

Le moteur suivant l'invention, tel qu'il apparaît sur la figure I, comporte essentiellement un rotor 1 tournant dans le vide, soutenu et guidé dans un support fixe 2, qui n'est représenté que partiellement sur la figure I, par deux paliers magnétiques actifs 3 et 4 et une butée magnétique 5.

Dans ce rotor et autour d'un arbre cylindrique de grand diamètre 45 (figure II) concentrique à l'axe de rotation, à l'intérieur duquel est insérée une turbine à écoulement axial 6, est ménagé un circuit fermé de fluide de travail, réparti, suivant une symétrie de révolution, en 24 secteurs fonctionnant en parallèle. A partir de la turbine 6, ce circuit véhicule le fluide de travail successivement à travers un échangeur de source froide en disposition annulaire 7, puis à l'intérieur de 24 conduits radiaux de compression adiabatique 8, puis dans 24 éléments chauffants de source chaude ou collecteurs d'énergie radiative 9 et enfin à l'intérieur de 24 conduits radiaux de détente adiabatique 10, qui le ramènent à l'entrée de la turbine 6.

Les 24 conduits radiaux de compression 8, représentés notamment sur les figures II, III et V sont raccordés à l'une de leurs extrémités par des joints d'étancheite démontables 11, à une armature circulaire ou couronne annulaire 12, qui supporte les efforts centrifuges dus à leur rotation et qui conduit le fluide de travail, dans 24 perforations ou canaux 14 qui y sont ménagées, depuis une chambre annulaire 13, à sa sortie de l'échangeur 7, jusqu'auxdits conduits de compression. Lesdits conduits 8 sont d'autre part soudés par leur extrémité coudée 15 aux 24 éléments chauffants 9.

De façon similaire, les 24 conduits radiaux de détente représentés notamment sur les figures II, IV et V sont raccordés à l'une de leurs extrémités par des joints

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d'étancheite démontables 16 à une armature circulaire ou couronne angulaire 17, qui supporte les efforts centrifuges dus à leur rotation et qui reconduit le fluide de travail dans 24 perforations ou canaux 19 qui y sont ménagés, depuis lesdits conduits de détente 10 jusqu'à des distributeurs 18 de la turbine. Lesdits conduits 10 sont d'autre part soudés, par leur extrémité coudée 20 aux 24 éléments chauffants 9.

Ces 24 éléments chauffants 9 sont eux-mêmes supportés par quatre disques de révolution 21, représentés en coupe axiale sur les figures I et II, suivant une technique tout à fait semblable à celle qui est utilisée pour la réalisation des disques de turbines classiques, aussi bien pour ce qui concerne la nature des alliages utilisés que pour l'évolution de leur épaisseur en fonction de la distance à l'axe de rotation et pour le mode de liaison entre ces disques et les organes périphériques à supporter, étant entendu que ces organes à supporter sont constitués ici par les éléments chauffants 9 à la place des aubages aérodynamiques des turbines classiques. Dans le moteur décrit, les quatre disques 21 sont centrés entre eux et vis-à-vis des deux armatures circulaires 12 et 17 sur des épaulements 22 ; ils sont d'autre part solidarisés par 24 tirants 23 (figures III, IV) parallèles à l'axe, boulonnés de part et d'autre des armatures 12 et 17, de sorte qu'ils constituent ensemble un bloc très rigide, dont la vitesse critique est ainsi très supérieure à la vitesse nominale du moteur.

Chacun des éléments chauffants 9, visibles sur les figures I, II et III, et dont un détail est représenté sur la figure V, est un assemblage librement dilatable dans les directions axiale et radiale, dont la face tournée vers l'extérieur du rotor est constituée par une plaque collectrice épaisse 24, en cuivre oxydé. Ces plaques 24 absorbent l'énergie du rayonnement incident, qui est concentré et dirigé vers elles par des miroirs solaires immobiles, non représentés

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sur les figures, et elles transmettent par conductivité l'énergie ainsi recueillie vers des blocs lamellaires 25.

Ces blocs lamellaires 25 sont fractionnés en plusieurs segments, au nombre de quatre sur les figures, pour augmenter la puissance transmise par unité de volume dans les zones d'échange de la chaleur avec le fluide de travail et réduire ainsi la masse totale supportée par les disques 21. Chacun de ces blocs est constitué par un empilement de lames de cuivre de 8 mm de largeur et de 0,2 mm d'épaisseur, ajourées par moletage ou par étirage et disposées perpendiculairement à la plaque 24, à laquelle elles sont thermiquement connectées par soudage, par brasage ou par un apport électrolytiσue de cuivre. Lesdits blocs lamellaires 25 sont enfermés dans une boîte quasi parallélépipédique dont la plaque 24 fait partie, qui sépare le fluide de travail du vide extérieur, dont une extrémité, soudée à un conduit de compression 8, se situe à environ 19 cm de l'axe de rotation alors que l'autre extrémité, soudée à un conduit de détente 10, se situe à environ 17 cm de cet axe. La disposition tronconique qui en résulte, pour l'ensemble des 24 éléments chauffants juxtaposés, provoque une première détente du fluide de travail lorsqu'il se rapproche de l'axe de rotation au cours de son échauffement, ce qui a pour effet de rapprocher l'évolution thermodynamique du fluide de travail d'un processus globalement isotherme.

La boîte quasi parallélépipédique qui renferme les 4 blocs lamellaires 25 de chaque élément chauffant 9 est rigidifiée par des entretoises frontales 26 et elle est soudée aux extrémités d'étriers 27, qui ont pour fonction de transmettre aux disques 21 les efforts radiaux dus aux forces centrifuges s 'exerçant sur les éléments chauffants. Chaque étrier 27 est constitué par une tôle profilée en alliage réfractaire à très haute résistance, qui enjambe des clavettes 28 ,- lesdites clavettes, parallèles à l'axe de rotation, traversent les quatre disques 21 et assurent la liaison mécanique des éléments chauffants avec le rotor.

Dans des versions plus poussées du moteur thermique suivant l'invention, où les vitesses périphériques seraient encore plus élevées, la plaque collectrice 24 et les blocs lamellaires 25 des éléments chauffants seraient constitués d'alliages de métaux conducteurs tels que le béryllium, plus légers que le cuivre ; d'autre part, la liaison avec les disques 21 y serait réalisée par des jonctions dites "en sapin", comme celles qu'on utilise généralement pour les aubes de turbines axiales. Dans d'autres versions du moteur suivant l'invention, intéressant plus particulièrement les puissances unitaires élevées, qui correspondent à des rotors et des éléments chauffants de plus grande dimension, le transfert de chaleur entre les plaques 24, qui absorbent le rayonnement, et les lames conductrices des éléments chauffants, qui sont en contact avec le fluide de travail, se ferait par convection et non par conduction, en utilisant la convection naturelle, dans le champ de gravitation du rotor, d'un métal liquide comme le sodium ou le potassium. Dans de telles versions du moteur, les lames conductrices des blocs lamellaires 25 seront avantageusement disposées perpendiculairement à la direction radiale, comme l'indique la coupe frontale de la figure VI, et non perpendiculairement à la direction azimutale, comme dans la coupe frontale de la figure V. Le métal liquide, réchauffé le long des plaques 24, est entraîné vers l'axe de rotation du fait de sa densité diminuée ; il s'aide ensuite de la chaleur aux extrémités des lames conductrices, en même temps qu'il circule dans les intervalles radiaux 48 ; sa densité reprend ainsi sa valeur initiale, ce qui l'entraîne à nouveau, dans un mouvement centrifuge, vers les plaques 24.

Sur la figure VI la circulation du métal liquide dans les intervalles radiaux 48 a été représentée par des flèches. Le sens de cette circulation est donné à titre d'exemple, en effet il est fixé par la convection naturelle.

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On a représenté, sur la figure II, une configuration particulière de la turbine 6, dans laquelle cette turbine s'adapte à un écoulement axial avec trois étages subsoniques à action, ce qui permet de limiter le diamètre extérieur des aubages, de sorte qu'on puisse monter et démonter son carter 29 à travers l'alésage du palier magnétique 4. Ce carter 29 est logé au fond d'un puits ménagé à l'intérieur de l'arbre de grand diamètre 45, qui traverse le rotor 1 de part en part et qui lui est lié rigidement, de sorte que, dans le moteur suivant l'invention, les organes qui constituent le stator des turbines dans leur utilisation habituelle y sont entraînés en rotation, tandis que les organes qui constituent habituellement le rotor de ces turbines y sont maintenus immobiles par un axe fixe 30. Une extrémité dudit axe fixe s'appuie sur un palier 31, lié au rotor, et l'autre extrémité, munie d'une garniture d'étancheite 32, visible sur la figure I, transmet à l'appui fixe 2 le couple moteur exercé par le fluide de travail sur les aubages du stator. S'agissant d'une turbine à écoulement axial, son fonctionnement aérodynamique n'est pratiquement pas modifié par un tel montage inversé du "stator" et du "rotor".

A sa sortie de la turbine, le fluide de travail est guidé radialement par un diffuseur cloisonné 33 jusqu'à 1'échangeur de source froide 7, où il pénètre sur toute la largeur de cet échangeur, qui va de l'armature 12 à l'armature 17. Il continue à se déplacer radialement dans les conduits dudit échangeur jusqu'à la chambre annulaire 13 ; ce déplacement centrifuge augmente la pression, ce qui permet d'obtenir un abaissement de température plus faible que celui qui serait dû à un refroidissement à pression constante.

Ledit échangeur 7 est constitué par 12 éléments modulaires contenus à l'intérieur d'une virole cylindrique 34, logée dans l'alésage des disques 21 et vissée sur l'armature 17 par 12 boulons 46.

MPLACEMENT

Le circuit du fluide de travail dans ledit échangeur 7 est constitué par 24 empilements de lames de cuivre ajourées de 0,4 mm d'épaisseur, brasées perpendiculairement de part et d'autre de 12 chambres nervurées 35, où l'eau de refroidissement circule dans une direction perpendiculaire à celle dudit fluide de travail.

Ces chambres 35 canalisent l'eau entre des nervures 36, qui sont légèrement inclinées sur l'axe de rotation, de sorte que l'eau réchauffée du circuit secondaire tend à s'y écouler naturellement depuis un distributeur 37 jusqu'à un collecteur 38. Comme l'augmentation de température de cette eau est relativement faible, une telle disposition à "écoulements croisés" n'affecte pas sensiblement l'efficacité de 1'échangeur. Dans une variante de moteur où le fluide secondaire serait un gaz léger comme l'hydrogène ou l'hélium, une configuration préférée de l'échangeur de source froide comporterait, au lieu d' "écoulements croisés", des écoulements "à contre-courant", d'orientation radiale centripète pour le fluide secondaire et radiale centrifuge pour le fluide de travail.

Dans le moteur présenté, l'eau du circuit secondaire pénètre dans le rotor par un orifice 39 et une garniture d'étancheite 40. Elle contribue au refroidissement du carter de turbine, puis s'écarte de l'axe de rotation, passe par 12 conduits 41 jusqu'au distributeur 37 de l'échangeur de source froide. Après sa sortie de cet échangeur dans le collecteur 38, elle est dirigée par des conduits 42 vers un canal tubulaire 43, d'où elle sort à travers une garniture d'étancheite 44, pour être refroidie dans un radiateur externe, non représenté sur les figures annexées, avant de revenir vers l'orifice 39.

L'ensemble du circuit d'eau est d'autre part conçu pour éviter les ressauts radiaux susceptibles de gêner la purge des bulles de gaz qui pourraient s'y trouver.

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L'assemblage mécanique, à l'intérieur et autour de l'arbre de grand diamètre 45, du carter de turbine 29, de l'armature 12 et de l'armature 17, sur laquelle est vissée la virole 34, exige par ailleurs l'utilisation de joints annulaires deformables, schématisés sur les figures annexes pour assurer la continuité et l'étanchéité des circuits d'eau et de gaz.

Le fonctionnement du moteur implique enfin, outre le système optique de concentration de l'énergie radiative et le radiateur externe, l'utilisation d'équipements auxiliaires non représentés sur ces figures : démarreur permettant d'amorcer le mouvement de rotation, prise de mouvement pour le générateur électrique à entraîner, compresseur-détendeur pour faire varier la quantité de gaz présente dans le circuit, accessible par le canal fixe 47, pompe pour accélérer la circulation de l'eau dans le circuit secondaire et dispositifs de régulation et de contrôle, propres à la plupart des moteurs thermiques, pour la vitesse, la puissance et les températures, . Dans un régime de fonctionnement nominal de ce moteur, le fluide de travail pourrait être du xénon additionné de 0,3 % en masse d'hélium, ce qui accroît la conductivité thermique de 70 % et la chaleur spécifique de seulement 10 %, c'est-à-dire qu'une addition de gaz léger, dans des proportions adaptées à chaque type d'utilisation particulière, permet de réduire de façon importante le volume et le poids du moteur, avec un rotor tournant à une vitesse périphérique légèrement accrue.

Avec une pression du xénon de 5 bars à la sortie de la turbine, correspondant à une pression voisine de 50 bars à l'entrée des éléments chauffants, un rotor de 40 cm de diamètre tournant à 20.000 tr/mn , des températures comprises entre 780°K et 880°K sur des plaques collectrices soumises à un flux moyen de rayonnement incident de 140 Watts/cm ² et avec un débit d'eau de refroidissement suffisant pour maintenir

ACEMENT

entre 300°K et 370°K la température des parois de l'échangeur froid, le moteur qui vient d'être décrit peut fournir typiquement une puissance mécanique de 20 kilowatts, ce qui correspond à un rendement thermodynamique proche de 45 % et à une puissance spécifique utile de l'ordre de 0,4 kilowatt par kg de rotor. D'une manière générale la vitesse périphérique du rotor en fonctionnement est d'au moins 200 /s.

Ce résultat s'obtient en offrant au xénon, dans ses déplacements à l'intérieur du circuit fermé entraîné en rotation, des sections de passage suffisantes pour limiter les vitesses débitantes moyennes à 7 m/s, dans les éléments chauffants et dans l'échangeur de source froide, et à 40 m/s dans la turbine, valeurs compatibles avec de faibles déperditions d'énergie du fait de la viscosité du fluide de travail .

Naturellement l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pourtant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

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