FR3145383A1 - Rotational energy generator by creating and operating a vortex - Google Patents
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Abstract
L’invention est un dispositif de production d’énergie de rotation en trois parties. La première comporte un générateur de vortex (100) ayant pour effet de provoquer le tourbillon d’un fluide, la seconde (qui peut être confondue avec la première), diminue la section du fluide pour que sa rotation devienne fluide (un vortex), et la troisième comporte des obstacles (20) à la rotation de ce fluide qui la font entrer en rotation par rapport audit stator sous l’effet de la rotation dudit fluide. Cette rotation peut être utilisée pour faire fonctionner un générateur électrique. Figure de l’abrégé : Fig. 1The invention is a device for producing rotational energy in three parts. The first comprises a vortex generator (100) having the effect of causing a fluid to swirl, the second (which can be confused with the first), reduces the section of the fluid so that its rotation becomes fluid (a vortex), and the third comprises obstacles (20) to the rotation of this fluid which cause it to rotate relative to said stator under the effect of the rotation of said fluid. This rotation can be used to operate an electric generator. Abstract figure: Fig. 1
Description
L’invention est un générateur d’énergie par exemple sous forme d’électricité, en utilisant le courant d’un fluide comme un gaz, un liquide ou un plasma.The invention is a generator of energy, for example in the form of electricity, using the current of a fluid such as a gas, a liquid or a plasma.
On connait WO2010109169A2 du 30 septembre 2010 de Robert Mackay [GB] qui décrit un générateur d'énergie comprenant une turbine que l’écoulement de l’eau fait tourner. Ce dispositif ressemble à première vue à celui décrit dans le présent document, parce qu’il comprend deux parties ayant des aubes d’incidences opposées, mais ces deux parties sont solidaires en rotation l’une de l’autre, alors que le principe de la présente invention est précisément que ces deux parties ne sont pas solidaires en rotation, la seconde qui est un rotor étant entraînée en rotation par rapport à la première qui est un stator.WO2010109169A2 of September 30, 2010 by Robert Mackay [GB] is known, which describes an energy generator comprising a turbine that is rotated by the flow of water. This device resembles at first sight that described in the present document, because it comprises two parts having blades of opposite incidences, but these two parts are integral in rotation with each other, whereas the principle of the present invention is precisely that these two parts are not integral in rotation, the second which is a rotor being driven in rotation relative to the first which is a stator.
On connait aussi WO2017097943A1 du 2 juin 2017 de Geert Slachmuylders [BE] qui est comme la turbine à tourbillons de James Thomson un ensemble turbine hydraulique à vortex gravitationnel dans lequel une turbine hydraulique est disposée en dessous du fond d’un bassin à vortex avec une ouverture tangentielle dans lequel le flux entrant est introduit. Les documents cités dans ce brevet, qui décrivent des turbines à eau à vortex gravitationnel ou sont alimentées par un courant tangent à la turbine, WO2015/017881, US4076448, US5921745, US2015/233340, AT412363B, CH699133B1, US2013/022456, sont également connus. L’entrée tangentielle d’un flux hydraulique est d’ailleurs courante puisqu’on la retrouve aussi sur les turbines Pelton, Banki, et Turgo.Also known is WO2017097943A1 of June 2, 2017 by Geert Slachmuylders [BE] which is like the vortex turbine of James Thomson a gravitational vortex hydraulic turbine assembly in which a hydraulic turbine is arranged below the bottom of a vortex basin with a tangential opening into which the incoming flow is introduced. The documents cited in this patent, which describe gravitational vortex water turbines or are powered by a current tangent to the turbine, WO2015/017881, US4076448, US5921745, US2015/233340, AT412363B, CH699133B1, US2013/022456, are also known. The tangential entry of a hydraulic flow is also common since it is also found on Pelton, Banki, and Turgo turbines.
On connait enfin US4236866 (A) du 2 décembre 1980 et FR2487441 (A1) du 29 janvier 1982 ainsi que ses trois certificats d’addition ES469863A2, ES469864A2 et ES469870A2, de Martinez Valentin Zapata [ES] qui décrivent aussi des dispositifs à entrée de flux tangentielle créant un vortex.Finally, we know US4236866 (A) of December 2, 1980 and FR2487441 (A1) of January 29, 1982 as well as its three certificates of addition ES469863A2, ES469864A2 and ES469870A2, from Martinez Valentin Zapata [ES] which also describe devices with tangential flow entry creating a vortex.
Il est connu d’obtenir une énergie, par exemple sous forme électrique, en provoquant la rotation d’une turbine par la circulation d’un fluide parallèlement à son axe de rotation.It is known to obtain energy, for example in electrical form, by causing a turbine to rotate by circulating a fluid parallel to its axis of rotation.
On peut augmenter la vitesse de rotation de la turbine par une augmentation de la vitesse du fluide la traversant, en jouant sur l’effet Venturi, par exemple en disposant un cône à l’entrée de la turbine et/ou à sa sortie.The rotation speed of the turbine can be increased by increasing the speed of the fluid passing through it, by playing on the Venturi effect, for example by placing a cone at the turbine inlet and/or outlet.
Le moyen le plus couramment utilisé pour augmenter la force appliquée par le fluide aux pales d’une turbine est de provoquer une rotation du fluide à l’entrée du rotor. C’est ce qui est couramment réalisé pour de nombreuses turbines de turboréacteurs, lesquelles récupèrent une partie de l'énergie issue de la combustion des gaz pour entraîner la rotation de la soufflante, du compresseur et des accessoires. Le stator est muni d’ailettes qui fait tourner le flux en amont du rotor de la turbine, pour augmenter sa vitesse de rotation. La vitesse angulaire de rotation ainsi obtenue est constante en sortie du stator, ce qui a pour conséquence que plus on s’éloigne du centre, plus la vitesse tangentielle augmente. Ce type de rotation est habituellement désigné comme une rotation solide, par opposition à une rotation désignée comme une rotation fluide dans laquelle plus on s’éloigne du centre, plus la vitesse tangentielle diminue. En mécanique des fluides, ce second type de tourbillon est appelé vortex, et c’est ce type de tourbillon qui est utilisé par les documents WO2017097943A1, US4236866 (A) et FR2487441 (A1) précités.The most common way to increase the force applied by the fluid to the blades of a turbine is to cause the fluid to rotate at the rotor inlet. This is commonly done for many turbojet turbines, which recover some of the energy from the combustion of gases to drive the rotation of the fan, compressor and accessories. The stator is equipped with vanes that rotate the flow upstream of the turbine rotor, to increase its rotation speed. The angular speed of rotation thus obtained is constant at the outlet of the stator, which means that the further away from the center, the more the tangential speed increases. This type of rotation is usually referred to as solid rotation, as opposed to a rotation referred to as fluid rotation in which the further away from the center, the more the tangential speed decreases. In fluid mechanics, this second type of vortex is called a vortex, and it is this type of vortex that is used by the aforementioned documents WO2017097943A1, US4236866 (A) and FR2487441 (A1).
La création d’un vortex augmente la force appliquée aux pales d’une turbine parce que la vitesse angulaire est maximale au centre de rotation, et que c’est à proximité de ce centre que l’on installe la turbine, mais les dispositifs existants prévoient une entrée de flux tangentielle ou utilisent la gravité pour créer le courant du fluide, alors que ces deux caractéristiques rendent les dispositifs encombrants et coûteux à réaliser.Creating a vortex increases the force applied to the blades of a turbine because the angular velocity is maximum at the center of rotation, and it is close to this center that the turbine is installed, but existing devices provide a tangential flow inlet or use gravity to create the fluid flow, while these two characteristics make the devices bulky and expensive to produce.
L’invention sera bien comprise, et d’autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 8.The invention will be well understood, and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly from reading the description which follows, which is illustrated by Figures 1 to 8.
L’invention est un dispositif de production d’énergie de rotation traversé d’amont en aval par un fluide, comprenant, d’amont en aval :
- un stator 1 comportant à son extrémité amont l’entrée du fluide, et un dispositif dit générateur de rotation 10 ayant pour effet de faire tourner ledit fluide autour de l’axe de son déplacement d’amont en aval,
- et un rotor 2 dont l’entrée reçoit le flux de fluide sortant dudit stator 1, ledit stator comportant un obstacle 20 à la rotation dudit fluide, afin de le faire entrer en rotation sous l’effet de la rotation dudit fluide autour de l’axe de son déplacement,
caractérisé en ce que le stator ou le rotor est muni en amont du rotor d’un conduit 100 dit générateur de vortex dont la section diminue d’amont en aval.The invention is a device for producing rotational energy crossed from upstream to downstream by a fluid, comprising, from upstream to downstream:
- a stator 1 comprising at its upstream end the fluid inlet, and a device called a rotation generator 10 having the effect of rotating said fluid around the axis of its movement from upstream to downstream,
- and a rotor 2 whose inlet receives the flow of fluid leaving said stator 1, said stator comprising an obstacle 20 to the rotation of said fluid, in order to cause it to rotate under the effect of the rotation of said fluid around the axis of its movement,
characterized in that the stator or the rotor is provided upstream of the rotor with a conduit 100 called a vortex generator, the section of which decreases from upstream to downstream.
Le principe de la présente invention est de provoquer la rotation fluide d’un fluide autour de l’axe de son déplacement longitudinal, en combinant un moyen de mise en rotation avec un rétrécissement du conduit, pour obtenir un vortex, c’est-à-dire un tourbillon dont la vitesse de rotation est plus forte à mesure que l’on se rapproche de son axe de rotation, et de faire pénétrer cette partie plus étroite dans un rotor afin d’appliquer aux pales du rotor une force plus importante puisque cette force croit avec le carré de la vitesse du fluide.The principle of the present invention is to cause the fluid rotation of a fluid around the axis of its longitudinal movement, by combining a means of rotation with a narrowing of the conduit, to obtain a vortex, that is to say a whirlpool whose rotation speed is greater as one approaches its axis of rotation, and to make this narrower part penetrate into a rotor in order to apply a greater force to the rotor blades since this force increases with the square of the speed of the fluid.
Dans certaines versions, trois autres avantages sont poursuivis :
- limiter l’usure des aubes ou gorges et leur risque de détérioration lorsque le flux comporte des particules solides ou qu’elles tournent à une vitesse telle qu’elle provoque une cavitation dans le cas où le fluide est liquide,
- limiter le bruit provoqué par la rotation de la turbine,
- et ne pas blesser les animaux qui pourraient entrer dans la turbine.In some versions, three other benefits are pursued:
- limit the wear of the blades or grooves and their risk of deterioration when the flow contains solid particles or when they rotate at a speed such as to cause cavitation in the case where the fluid is liquid,
- limit the noise caused by the rotation of the turbine,
- and not to injure animals that could enter the turbine.
Dans la version la plus simple, non représentée, un dispositif selon l’invention peut être constitué de deux hélices la première étant le stator et la seconde le rotor. L’hélice située en amont est fixe et fait tourner le flux dans un sens de rotation dans lequel on souhaite faire tourner la seconde hélice qui est reliée à un générateur électrique. La seconde hélice a un pas de sens inverse à celui de la première. Entre les deux hélices, un conduit dont la section du conduit est rétrécie d’amont en aval permet à la rotation du fluide de passer d’une rotation solide, un tourbillon forcé dont la vitesse angulaire est constante, à une rotation fluide dans laquelle la vitesse tangentielle augmente lorsqu’on se rapproche du centre. Le fluide qui entre dans le rotor tourne ainsi beaucoup plus rapidement.In the simplest version, not shown, a device according to the invention can consist of two propellers, the first being the stator and the second the rotor. The propeller located upstream is fixed and turns the flow in a direction of rotation in which it is desired to turn the second propeller which is connected to an electric generator. The second propeller has a pitch in the opposite direction to that of the first. Between the two propellers, a conduit whose section of the conduit is narrowed from upstream to downstream allows the rotation of the fluid to pass from a solid rotation, a forced vortex whose angular speed is constant, to a fluid rotation in which the tangential speed increases as one approaches the center. The fluid entering the rotor thus rotates much more quickly.
Les hélices décrites au paragraphe précédent peuvent être remplacées par des vis d’Archimède, des pales, des aubes, des gorges, des tubes courbés ou tout élément hélicoïdal. Le pas de ces éléments peut diminuer progressivement d’amont en aval pour accélérer la vitesse de rotation du fluide au fur et à mesure de son passage dans le générateur de rotation du stator, ce générateur ayant avantageusement à son extrémité aval le diamètre intérieur le plus grand possible pour maximiser la vitesse tangentielle de rotation avant que ne soit généré le vortex.The propellers described in the previous paragraph can be replaced by Archimedes screws, blades, vanes, grooves, curved tubes or any helical element. The pitch of these elements can decrease progressively from upstream to downstream to accelerate the rotation speed of the fluid as it passes through the stator rotation generator, this generator advantageously having at its downstream end the largest possible internal diameter to maximize the tangential rotation speed before the vortex is generated.
Il diminue avantageusement aussi dans le rotor pour tenir compte de la vitesse de rotation décroissante du fluide au fur et à mesure de son passage dans le rotor.It also advantageously decreases in the rotor to take into account the decreasing rotational speed of the fluid as it passes through the rotor.
La
La rotation du rotor par rapport au stator peut entraîner un générateur électrique, de façon à produire de l’électricité. La
Le générateur de vortex 100 peut ou bien être lisse, ou bien comporter des pales des aubes ou des gorges. Dans le premier cas, il peut être solidaire en rotation du rotor ou du stator ou encore libre en rotation, mais dans le second cas, il est avantageusement solidaire du stator comme représenté à la
Le stator et le rotor peuvent être distants l’un de l’autre, reliés par un tube solide ou rigide. Dans le cas d’usage du dispositif comme hydrolienne, le rotor peut ainsi être disposé sur la berge d’une rivière ou sur un bateau pour être plus facilement entretenu. Son extrémité aval peut alors être reliée à la rivière ou à la mer par un autre tuyau.The stator and rotor can be distant from each other, connected by a solid or rigid tube. In the case of using the device as a hydro turbine, the rotor can thus be placed on the bank of a river or on a boat to be more easily maintained. Its downstream end can then be connected to the river or the sea by another pipe.
Aussi dans ce cas d’usage du dispositif comme hydrolienne, cette rotation peut aussi être utilisée pour pomper directement l’eau dans laquelle se trouve le rotor et la faire remonter à un niveau supérieur à celui dans laquelle se trouve ce dispositif.Also in this case of using the device as a hydro turbine, this rotation can also be used to directly pump the water in which the rotor is located and raise it to a level higher than that in which this device is located.
La
Ce corps central 9 peut aussi être fixe comme illustré par la
Les pales du stator tournent dans un sens et celles du rotor dans le sens inverse, de telle sorte que le courant issu du stator arrive le plus perpendiculairement possible aux pales hélicoïdales du rotor, en produisant donc la plus grande force.The stator blades rotate in one direction and the rotor blades in the opposite direction, so that the current from the stator arrives as perpendicular as possible to the helical blades of the rotor, thus producing the greatest force.
Le stator est avantageusement immobile en rotation, pour que les animaux qui le traversent ne risquent pas de se blesser sur ses hélices, aubes ou gorges, mais il peut aussi être motorisé pour tourner dans le sens de rotation dans lequel on souhaite faire tourner le rotor, et ainsi augmenter la vitesse de rotation de ce dernier.The stator is advantageously immobile in rotation, so that animals passing through it do not risk injuring themselves on its propellers, blades or grooves, but it can also be motorized to turn in the direction of rotation in which one wishes to turn the rotor, and thus increase the rotation speed of the latter.
Dans le même objectif, les éléments hélicoïdaux comme des hélices, aubes ou gorges peuvent être arrondis à l’entrée du stator.For the same purpose, helical elements such as propellers, blades or grooves can be rounded at the stator entrance.
L’application de la présente invention aux turbines hydrauliques est très simple, puisqu’il suffit d’une ou plusieurs pales en amont de la turbine combinées à un rétrécissement du conduit, pour faire tourner le fluide dans le sens de rotation souhaitée du rotor et ainsi augmenter sa vitesse de rotation et donc le rendement du dispositif.The application of the present invention to hydraulic turbines is very simple, since it is sufficient to have one or more blades upstream of the turbine combined with a narrowing of the conduit, to turn the fluid in the desired direction of rotation of the rotor and thus increase its rotation speed and therefore the efficiency of the device.
Dans une version non représentée, la ou les pales du stator peuvent être d’inclinaison variable, pour ne créer un vortex que pour des vitesses faibles du flux, et diminuer les pertes visqueuses.In a version not shown, the stator blade(s) can be of variable inclination, to create a vortex only for low flow speeds, and to reduce viscous losses.
Le dispositif est représenté comme un ensemble ayant un axe longitudinal rectiligne, mais il peut aussi s’agir d’un tuyau souple ou rigide courbé, dont le diamètre peut être plus large en amont qu’en aval pour bénéficier de l’effet Venturi.The device is represented as an assembly having a rectilinear longitudinal axis, but it can also be a flexible or rigid curved pipe, the diameter of which can be larger upstream than downstream to benefit from the Venturi effect.
Le stator peut être précédé en amont par un collecteur 4 comme représenté aux figures 5 et 6. La sortie de ce collecteur est de préférence cylindrique mais son entrée peut être plus grande et de forme quelconque.The stator may be preceded upstream by a collector 4 as shown in Figures 5 and 6. The outlet of this collector is preferably cylindrical but its inlet may be larger and of any shape.
Dans le cas d’usage du dispositif selon l’invention comme hydrolienne, ce stator ou la partie amont dénommée collecteur qui lui est associée comporte avantageusement une partie basse 6 lestée pour se placer au fond de l’eau, et une partie haute munie d’un flotteur 5 pour l’élever et ouvrir l’entrée d’eau dans le collecteur, comme représenté aux figures 5 et 6.In the case of using the device according to the invention as a hydro turbine, this stator or the upstream part called collector associated with it advantageously comprises a lower part 6 weighted to be placed at the bottom of the water, and an upper part equipped with a float 5 to raise it and open the water inlet into the collector, as shown in Figures 5 and 6.
Le collecteur peut être réalisé en tissu ou tout autre matériau souple et léger. Son entrée est avantageusement munie d’une grille inclinée par rapport à une perpendiculaire à l’axe longitudinal du dispositif, pour que les corps étrangers présents dans le fluide soient évacués vers l’extérieur de l’entrée. Sur les figures 5 et 6, cette grille dévie les corps étrangers vers le haut.The collector can be made of fabric or any other flexible and lightweight material. Its inlet is advantageously provided with a grid inclined relative to a perpendicular to the longitudinal axis of the device, so that foreign bodies present in the fluid are evacuated to the outside of the inlet. In Figures 5 and 6, this grid deflects foreign bodies upwards.
Le dispositif selon l’invention peut être muni à son extrémité aval d’une troisième partie en aval du rotor dite sortie 3, s’élargissant d’amont en aval, pour augmenter la vitesse de sortie du fluide en sortie du rotor.The device according to the invention can be provided at its downstream end with a third part downstream of the rotor called outlet 3, widening from upstream to downstream, to increase the outlet speed of the fluid leaving the rotor.
Un dispositif selon l’invention peut être fixé en haut d’un mât et pivoter librement autour d’un axe vertical pour s’orienter en fonction de la direction du fluide. Ce mât peut n’être vertical que lorsqu’il n’y a pas de courant, et s’incliner élastiquement ensuite sous l’effet de la traction du dispositif en fonctionnement.A device according to the invention can be fixed at the top of a mast and pivot freely about a vertical axis to orient itself according to the direction of the fluid. This mast can be vertical only when there is no current, and then tilt elastically under the effect of the traction of the device in operation.
Le principe de la présente invention s’applique aussi bien aux hydroliennes qu’aux éoliennes. Dans ce second cas, le dispositif est avantageusement muni d’une aile de cerf-volant 40, et le collecteur d’entrée 4, qui utilise l’effet venturi pour accélérer le fluide, peut être en tissu. Il peut être relié au mât par un câble. Dans une version perfectionnée, le câble s’enroule pour maintenir le générateur en haut du mât par temps calme, mais dès que le vent souffle, il se déroule élastiquement ou par un moteur asservi à une mesure de la vitesse du vent ou à la force de traction du câble, pour permettre au générateur de s’élever afin de bénéficier des vents plus forts et plus réguliers en altitude. En supplément de ne pas risquer de blesser les oiseaux, cette éolienne est aussi beaucoup plus silencieuse que celles à pales que l’on connait, ce qui devrait favoriser son acceptation par le public.The principle of the present invention applies to both hydro turbines and wind turbines. In the latter case, the device is advantageously equipped with a kite wing 40, and the inlet collector 4, which uses the venturi effect to accelerate the fluid, can be made of fabric. It can be connected to the mast by a cable. In an improved version, the cable is wound to keep the generator at the top of the mast in calm weather, but as soon as the wind blows, it unwinds elastically or by a motor controlled by a measurement of the wind speed or the traction force of the cable, to allow the generator to rise in order to benefit from the stronger and more regular winds at altitude. In addition to not risking injuring birds, this wind turbine is also much quieter than those with blades that we know, which should promote its acceptance by the public.
Dans une version de turbine hydraulique perfectionnée, non représentée, on peut injecter de l’air dans l’eau, pour l’aérer et ainsi améliorer sa qualité avant l’entrée dans le rotor. Ceci peut aussi favoriser la naissance du vortex. Une telle injection peut se faire aussi bien à l’extrémité aval du corps central 9 que le long de l’extrados des pales du stator. L’injection peut être produite par la dépression se produisant à ces emplacements, mais elle peut aussi être obtenue par un compresseur d’air.In an improved version of the hydraulic turbine, not shown, air can be injected into the water, to aerate it and thus improve its quality before it enters the rotor. This can also promote the creation of the vortex. Such an injection can be done both at the downstream end of the central body 9 and along the extrados of the stator blades. The injection can be produced by the depression occurring at these locations, but it can also be obtained by an air compressor.
Les dispositifs selon l’invention peuvent être assemblés en série comme illustré par la
Afin d’exploiter des courants de marée, deux dispositifs peuvent être associés, l’un fonctionnant d’amont en aval et l’autre d’aval en amont. L’un fonctionne à marée montante et son entrée est fermée par une soupape à marée descendante, et l’autre fonctionne à marée descendante et son entrée est fermée par une soupape à marée montante. Une telle soupape peut être un volet orientant le flux entrant vers celui des deux dispositifs qui est adapté la direction du courant. Ces versions ne sont pas représentées.In order to exploit tidal currents, two devices can be combined, one operating from upstream to downstream and the other from downstream to upstream. One operates on a rising tide and its inlet is closed by a valve on a falling tide, and the other operates on a falling tide and its inlet is closed by a valve on a rising tide. Such a valve can be a flap directing the incoming flow towards the one of the two devices which is adapted to the direction of the current. These versions are not shown.
Un tel assemblage peut aussi exploiter l’énergie des vagues ou de la houle, les deux dispositifs étant mis en service alternativement par leurs soupapes selon le sens du mouvement de l’eau.Such an assembly can also exploit the energy of waves or swell, the two devices being activated alternately by their valves according to the direction of movement of the water.
L’invention est aussi le procédé consistant à générer une énergie de rotation par un dispositif selon l’invention.The invention is also the method of generating rotational energy by a device according to the invention.
La principale application de la présente invention est la conversion de l’énergie des courants d’eau d’air et de plasma en électricité.The main application of the present invention is the conversion of energy from air, water and plasma streams into electricity.
Claims (10)
- un stator (1) comportant à son extrémité amont l’entrée du fluide, et un dispositif dit générateur de rotation (10) ayant pour effet de faire tourner ledit fluide autour de l’axe de son déplacement d’amont en aval,
- et un rotor (2) dont l’entrée reçoit le flux de fluide sortant dudit stator (1), ledit stator comportant un obstacle (20) à la rotation dudit fluide, afin de le faire entrer en rotation sous l’effet de la rotation dudit fluide autour de l’axe de son déplacement,
caractérisé en ce que le stator ou le rotor est muni en amont du rotor d’un conduit (100) dit générateur de vortex dont la section diminue d’amont en aval.Rotational energy production device crossed from upstream to downstream by a fluid, comprising, from upstream to downstream:
- a stator (1) comprising at its upstream end the fluid inlet, and a device called a rotation generator (10) having the effect of rotating said fluid around the axis of its movement from upstream to downstream,
- and a rotor (2) whose inlet receives the flow of fluid leaving said stator (1), said stator comprising an obstacle (20) to the rotation of said fluid, in order to cause it to rotate under the effect of the rotation of said fluid around the axis of its movement,
characterized in that the stator or the rotor is provided upstream of the rotor with a conduit (100) called a vortex generator, the section of which decreases from upstream to downstream.
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