Brevet FR2291381A1 — publié le 19760611

L'invention a trait à une pale destinée à coupler un organe moteur , tel que l'arbre d'une génératrice électrique, et un fluide ambiant en déplacement relatif, tel que le vent, chaque point de la pale décrivant une trajectoire cyclique par rapport à l'organe moteur dans un plan parallèle à la direction du mouvement relatif, cette pale étant déformable élastiquement suivant un profil dans un plan de trajectoire comportant deux courbures inverses successives depuis un bord d'attaque jusqu'à un bord de fuite. Les trajectoires cycliques peuvent etre sensiblement rectilignes,comme la trajectoire d'une rame de propulsion d'une embarcation ou d'une palme de nageur, mais l'invention a trait notamment à des pales à trajectoires sensiblement circulaires équipant des rotors tournant autour d'un arbre, comme les rotors a d'éoliennes. On connait des pales dont les points décrivent des trajectoire res circulaires dans des plans- perpendiculaires au déplacement renatifs. Ce sont généralement des pales hélicodes. L'inconvénient de ces pales réside dans le fait que, lorsque la direction du mouvement relatif est variable il est nécessaire d'orienter le plan des trajectoires des pales perpendiculairement an sens du déplacement relatif. Comme il est fréquent que la direction du déplacement relatif, quoique variable, reste coplanaire, on a réalisé des pales dont les points décrivent des trajectoires cycliques dans des plans parallèles à la-direction du déplacement relatif. Les godilles de propulsion d'embarcation et les palmes de nageur sont des pales de ce genre. Lorsque ces pales équipent des rotors et que les trajectoires sont sensiblement circulaires autour d'un axe commun, en disposant cet axe perpendiculairement au plan général contenant la direction variable du déplacement relatif; le rotor reste sensible au déplacement relatif de direction quelconque slns réorientation. Etant donné que les pales ont des trajectoires cycliques par rapport à l'organe moteur et dans-des plans parallèles à la direction du déplacement relatif de organe moteur et du fluide ambiant, il s'ensuit que pendant une première partie du cycle de trajectoire re les mouvements d'une pale et du fluide ambiant par rapport à 1' organe moteur, ont des composantes opposées, tandis que pendant la seconde partie du cycle ils ont des composantes de même sens. Pour que l'échange d'énergie entre le fluide ambiant et l'organe moteur ne soit pas nul dans l'ensemble, a réaction du fluide ambiant sur la pale doit être dissymétrique selon que cette pale est dans la première ou la seconde partie de son cycle.Ceci peut être obtenu par un profilage dissymétrique d'une pale rigide, comme par exemple les moulinets anémométriques ou les rotors dits de "Savonius". On peut également constituer la pale d'une lame plane à déformation élastique tenue par un bord d'attaque, avec un bord de fuite en porte-à-faux, en sorte que le fluide s'écoulant du bord d'attaque au bord de fuite la pale se déforme en s'effaçant, tandis que lorsque le fluide s'écoule du bord de fuite au bord d'attaque, la pale se déforme en se rebroussant et tend à se mettre en travers de l'écoulement. L'invention a pour objet une pale de ce genre formée d'une lame plane élastiquement déformable suivant un profil dans un plan de trajectoire comportant deux courbures inverses successives entre un bord d'attaque et un bord de fuite perpendiculaires aux plans de trajectoire et caractérisée par une structure de lame comportant une âme souple incompressible en épaisseur entre deux feuillets élastiques encastrés au bord de fuite dans un bec arrière rigide et au bord d'attaque dans un bec avant rigide solidaire d'un moyen de liaison audit organe moteur, l'empilement ainsi constitué étant maintenu jointif par des moyens de pression latéraux. Le profil à deux courbures inverses successives entre le bord d'attaque et le bord de fuite est favorable à un écoulement laminaire des filetas de fluide au voisinage de la pale, grâce à quoi les turbulences perturbant les échanges d'énergie entre fluide et pale sont évitées. Ce profil à double courbure est obtenu par le fait que les feuillets élastiques ne pouvant s'allonger entre bord d'attaque et de fuite gardent un développement constant lors des déformations et appuyés par les moyens de pression sur l'amie incompressible en épaisseur sont maintenus à écartement constant. Les feuillets étant encastrés dans les becs avant et arrière,toute courbure de la lame entraînant une différence locale de développement des feuillets doit être compensée par une courbure inverse successive rétalissant l'égalité des développements. Avantageusement les bords d'attaque et les bords de fuite des feuillets sont situés respectivement dans deux plans parallèleset perpendiculaires à la lame non déformée. Ainsi les développements des feuillets sont égaux, et la lame non déformée symétrique par rapport à son plan médian. De préférence les moyens de pression comprennent une enveloppe souple entourant l'empilement et formant conjointement avec les becs avant et arrière ne enceinte étanche maintenue en dépression par rapport au fluide ambiant La pression relative entre le fluide ambiant et la zone interne de la pale, plaque les feuillets con- tre l'âme incompressible sans s'opposer à un glissement relatif des éléments de l'empilement. Selon une première disposition de l'invention l'âme comporte au moins un feuillet interne ; en variante l'âme est constituée d' une multiplicité d'éléments rigides allongés perpendiculairement aux plans des trajectoires et accolés en succession depuis le bord d'attaque jusqu'au bord de fuite. Ces éléments peuvent être cylindriques. Ils peuvent entre enfilés en chapelet sur au noins un lien souple étendu entre les becs avant et arrière. Selon une disposition particulière de l'invention, les feuil- lets se rapprochent vers le bord de fuite L'invention a également pour objet un rotor équipé des pales précitées, dans lequel l'organe moteur est un arbre moteur tournant autour deux axe perpendiculaire aux plans de trajectoire et relié aux pales par des bras adaptés à maintenir les becs avant des pales dans un cylindre coaxial audit arbre. Les bras peuvent partir de l'arbre perpendiculairement à celuici et aboutir aux becs avant perpendiculairement à la lame non déformée. Suivant une disposition particulière de l'invention. les bras sont formés en deux tronçons de part et d'autre d'une articulation, ces tronçons sont sollicités en alignement par des moyens élastiques, et des moyens de couplage sont adaptés à lier les articulations en sorte que tons les becs avant soient simultanément à la rgre distance de l'arbre Le rayon de giration des pales est ainsi variable, et permet l'adaptation du couple transmis à l'arbre moteur un effort croissant sur les pules sollicitant les articulations angulairement contre les moyens de rappel et faisant décroitre le rayon de giration. Selon une disposition préférée de l'invention, les becs avant sont fixés sur les bras correspondants par l'intermédiaire de pivots parallèles à l'axe dudit arbre.un moyen à ressort rappelant ledit bec avant pour placer ladite lame normalement aux bras correspondants. Ainsi, en cas d'effort excessif sur les pales, ces dernières se mettent en drapeau. Les pales du rotor peuvent comporter chacune au moins deux lames élastiquement déformables indépendantes avec les bords d'tta- que alignés, On peut constituer une machine éolienne avec des rotors de 9 genre, l'axe de rotation étant vertical. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une pale selon l'invention en coupe transversale la figure 2 est une coupe d'une variante de disposition de pale la figure 3 est une coupe d'une variante préférée de pale ; la figure 4 est une perspective schématique d'un rotor selon l'invention ;; la figure 5 est une vue en plan du rotor de la figure 4 la figure 6 est une vue en plan d'un rotor à bras articulés la figure 7 est une perspective d'une partie de rotor à pale = pivotante la figure 8 est une vue en plan de la partie de rotor de la figure 7 la figure 9 est une vue en plan d"un rotor selon les figures 7 et 8 avec les pales en drapeau la figure 10 est une perspective schématique d'une éolienne â rotor équipée de pales à lames multiples. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure la une pale est constituée par une lame à déformation élastique ï dans son ensemble composée de deux feuillets externes élastiques 10 et 11 de part et d'autre d'une âme comprenant deux feuillets internes 12 et 13.Les feuillets 10 et 11, ainsi que les feuillets 12 et 13 sont encastrés au bord de fuite dans un bec arrière rigi de 15 et au bord d'attaque avant dans un bec avant rigide 15 fixé à un bras latéral 16 qui sert de moyen de liaison à un organe no- teur.L1empilement des feuillets externes 10,11 et des feuillets im- ternes 12,13 est entouré d'une enveloppe souple 17 qui forme con- jointement avec le bec avant 14 et le bec arrière 15 une enceinte étanche maintenue en dépression par rapport au fluide ambiant en déplacement d'ensemble dans la direction de la flèche 20.Les filets de ce fluide ambiant au voisinage de Xa pale sont symbolisés par les tiretés 25, et la poussée résultante sur la pale se traduit au bec avant par une force 21 avec une composante longitudinale 22 et une composante transversale 23. Les bords d'attaque 14a et de fuite 15a des feuillets élastiques 10 et 11 sont situés dans deux plans parallèles entre eux et perpendiculaires à la lame 1 non déformée. La pale représentée figure 2 comprend comme la pale précédente deux feuillets élastiques 11 et 12 encastrés au bord de fuite dans un bec arrière 15 et au bord d'attaque dans un bec avant 14 d'où fait saillie un bras 16. Une enveloppe souple 17 entoure l'empile- ment de lame 1. L'ame de cette lame 1 se compose d'éléments allongés 12 vus en coupe. Ces éléments 12 ont la forme de prismes droits à base losange et sont enfilés en chapelet sur un lien souple 13 qui s'étend du bec avant 14 au bec arrière 15. La pale représentée en coupe figure 3 offre la particularité que les feuillets élastiques 11,12 convergent depuis le bec avant 14 jusqu'au bec arrière 15. Ces feuillets 10 et 11, enroulés et collés sur les becs avant 14 et arrière 15 sont réunis aux extré- mités de la lame suivant la direction perpendiculaire au plan de la figure et constituent par eux-même une enveloppe étanche en dépression par rapport au fluide ambiant et sont appuyés de ce fait sur l'amie constituée des éléments cylindriques tubulaires 12, de diamètres décroissants du bec avant 14 au bec arrière 15, ces éléments étant enfilés en chapelet sur un lien souple 15. Le comportement des pales dans un fluide ambiant en déplacement relatif sera expliqué en référence avec la figure 1. Les déformations de la lame élastique 1 sont les résultantes des efforts sur les faces de la lame par réaction du fluide ambiant, et des contraintes résultant de la structure de la lame. Les feuillets 10 et 11 ne sont susceptibles que de fiexions élastiques latérales êt du fait de leur encastrement dans les becs avant 14 et arrière 15 leur-développement entre le plan de bord-d'attaque 14a et le plan de bord de fuite 15a sont astreints à rester égaux. De plus, l'empilement des feuillets 10,11 et de l'amie 12,13 , soumis à la surpression du fluide ambiant est contraint de rester jointif.Les plans des bords d'attaque 14a et 15a restent sensiblement parallèles et le profil d'équilibre de la lame 1 soumise à une action sur une face est une courbe comportant deux courbures inverses successives qui se composent, et angulairement, et selon la longueur curviligne des feuillets 10 et 11. I1 en résulte que l'angle d'inci dence du fluide ambiant sur la face soumise à la réaction du fluide est conservé aux bords d'attaque 14a et de fuite 15a et, dans la partie médiane du profil, accru quand la lame travaille en rebroussement, c'est-à-dire quand le fluide s'écoule le long de la lame du bec arrière 15 au bec avant 14, tandis qu'il est réduit lorsque la lame travaille en effacement (écoulement du fluide du bec avant 14 au bec arrière 15).Ainsi le profil s'adapte, en rebroussement pour offrir à la poussée du fluide une section efficace grande sans provoquer de décollement des filets 25 à l'extrados, et en effacement pour offrir au fluide une trainée faible. La lame travaillant en rebroussement, comme représenté figure 1, l'effort de poussée du fluide sur la lame se traduit au bec avant par la résultante 21, avec une composante longitudinale 22 et une composante transversale 23. Le rotor représenté figures 4 et 5 comprend un arbre moteur 30 transmettant l'énergie de rotation à un récepteur 41 dans le pied 40. Ce récepteur 40 peut être par exemple une génératrice. De 1' arbre 30 partent quatre bras supérieurs 116,216,316,416 et quatre bras inférieurs 116',216',316',416', aboutissant aux becs avant, respectivement 114,214,314,414, de quatre pales 101,201,301 et 401, soumises à l'action d'un fluide ambiant, tel que le vent, se déplaçant dans la direction de la flèche 20. Sur la figure 5 on a représenté en outre en pointillé un bras 516 en position de retournement de pale de 501 à 501', comme il sera expliqué plus loin. I1 faut comprendre que le rotor tournant dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 5, chacun des bras effectue une rotation complète en passant par les positions orthogonales 116,216, 316, 416, et entre les positions 316 et 416 par la position 516. En position 116 la pale 101 est effacée dans le lit du courant 20. Entre les positions 116 et 216 la pale remonte le lit du courant 20. et l'effacement de la pale par flexion réduit le couple résistant. Au voisinage de la position 216 la pale 201 passe en rebroussement en se rapprochant de l'axe 30 , le couple devient moteur entre les positions 216 et 316 le rebroussement s'accentue pour devenir maximal au voisinage de la position 316. Entre les positions 316 et 416, à une position 516 (en tireté), l'incidence moyenne sur la pale 501 étant voisine de 900, la pale est instable et passe en position 501', rebroussée en s'écartant de l'axe 30. Le couple moteur dû à la pale en position 501 est nul, mais redevient positif en position 501'. En franchissant la position 416, la pale 401 passe en effacement mais en maintenant un couple no- teur jusqu'à la position 116. On remarquera que le couple dû à une pale est moteur sur 3/4 de tour, de la position 216 à la position 116. Par ailleurs, pour toute position entre 416 et 116 il existe une position symétrique par rapport à la direction du bras en 116 pour laquelle le couple résistant est égal au couple moteur dans la position entre 416 et 116, en sorte que au cours d'une rotation complète le couple moteur entre 216 et 416 donne un effet énergetiquenet, tandis que de la position 416 à 216 l'effet énergie tique du couple résistant entre 116 et 216 est annulé par l'effet du couple moteur entre 416 et 116. Le rotor représenté en plan figure 6 possède des bras en deux tronçons, de part et d'autre d'une articulation, des tronçons 116a, 216a, 316a et 416a partant de l'arbre 30, et des tronçons 116b, 216b, 316b et 416 b aboutissant respectivement aux pales 101,201, 301 et 401. Des moyens de couplage, constitués par quatre pignons dentés 151, 251, 351 et 451 engrenant avec une chaine sans fin 50, assurent que les orientations des tronçons 116b, 21Q > , 316b et 416b par rapport respectivement aux tronçons 1l6a, 216a, 316a et 416a soient les mêmes, tandis que des moyens de rappel ou ressorts 152, 252, 352 et 452 rappellent en alignement les tronçons 116b, 216b, 316b et 416b respecties tronçons 116a, 216a, 316a et 416a, Par cette disposition, lorsque l'effort moteur sur l'ensemble des pales croit, par accroîssement de la vitesse du courant de fluide 20, les tronçons 116b, 216b, 31 et et 416b s'inclinent en réduisant le rayon de giration des pales, ce qui procure une certaine régulation du couple moteur sur l'arbre 30. Les figures 7 et 8 représentent une partie d'une disposition préférée de rotor, avec une pale 1 analogue à la pale représentée figure 3, et montée sur les bras 16 et 16' par l'intermédiaire de pivots 14a et 14'a aux deux extrémités du bec avant 14. Un moyen à ressort. composé d'une manivelle 14b clavetée sur le pivot 14a et et d'un ressort 16a fixé sur le bras 16 d'une part/sur l'extrémité de la manivelle 14b d'autre part,sollicite la pale 1 vers une position perpendiculaire aux bras. L'effort de poussée du fluide sur la pale 1 aura pour résultat simultanément une flexion à double courbure inversée de la pale 7 et une inclinaison du plan moyen d'incidence de cette pale sur la perprodiculaire au bras. Cette disposition forme limiteur d'effort sur les pales.Notamment,comme représenté à la figure 9, si la vite,-s du courant de fluide 20 devient excessive, les pales 101,201,301 et 401 se mettent en "drapeau, cMse-st-à-dire s'alignent sensiblement dans le lit du courant de fluide 20, sans sollicitation excesSive de l'arbre 30. L'éolienne représentée figure 10 comporte, montée sur un b ti- ment formant pied 40, un rotor dont les pales sont composées de deux lames élastiques, respectivement 101,101' ; 201,201' ; 301, 301' ; 401,401', tenues par des bras 116,116',116" ; 216,216',216"; 316,316',316" ; 416,416',416", les becs avant étant alignés verticalement parallèlement à l'axe de l'arbre 30. L'élasticité des lames 101,201,301,401 est différente de celle des lames 101',201', 301',401'. Du fait de cette différence d'élasticité les retournements des lames de l'étage supérieur et de l'étage inférieur entre les positions 316 et 416 ne seront pas simultanés et l'effet des chocs de retournement sur le rotor sera atténué. I1 est évident que le nombre d'étages. de lames n'est pas limité à deux. Notamment pour des rotors d'éoliennes de grande hauteur, la multiplication des étages de lames permet également d'adapter l'élasticité des lames de chaque étage à l'étagement des vitesses du vent. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et est susceptible de nombreuses variantes. Notamment le nombre de pales de rotor n'est pas limité à quatre. Egalement les pales selon l'invention peuvent être utilisées autrement que montées sur un rotor, par exemple sur des rames ou godilles de propulsion d' embarcation, ou des palmes de nageurs. Toutes ces variantes ne sortent pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Pale destinée à coupler un organe moteur et un fluide ambiant en déplacement relatif, chaque point de la pale décrivant une trajectoire cyclique par rapport à l'organe moteur dans un plan parallèle à la direction du déplacement relatif, pale constituée d'une lame plane élastiquement déformable suivant un profil dans un plan de trajectoire précité comportant deux courbures inverses successives entre un bord d'attaque et un bord de fuite perpendiculaires aux plans de trajectoire, caractérisée par une structure de lame comportant une âme souple incompressible en éépaisseur entre deux feuillets élastiques encastrés au bord de fuite dans un bec arrière rigide et au bord d'attaque dans un bec avant rigide solidaire d'un moyen de liaison audit organe moteur, l'empilement ainsi constitué étant maintenu jointif par des moyens de pression latéraux. 2) Pale selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bords d'attaque et les bords de fuite desdits feuillets sont situés respectivement dans deux plans parallèles et perpendiculaires à la lame non déformée. 3) Pale selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de pression comprennent une enveloppe souple entourant ledit empilement et formant conjointement avec les becs avant et arrière une enceinte étanche maintenue en dépression par rapport au fluide ambiant. 4) Pale selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite ame comporte au moins un feuillet interne. 5) Pale-selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite ame est constituée d'une multiplicité d' éléments rigides allongés perpendiculairement auxdits plans de trajectoire, et accolés en succession depuis le bord d'attaque jusqu'au bord de fuite. 6) Pale selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits éléments sont cylindriques. 7) Pale selon une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdits éléments sont enfilés en chapelet sur au moins un lien souple étendu entre les becs avant et arrière. 8) Pale selon une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits feuillets se rapprochent vers le bord de fuite. 9) Rotor équipé de pales selon une quelconque des revendica tions 1 à 8, caractérisé en ce que ledit organe moteur est un arbre moteur tournant autour d'un axe perpendiculaire audit plan de trajectoire et relié auxdites pales par des bras adaptés à maintenir les becs avant des pales dans un cylindre coaxial audit arbre. 10) Rotor selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits bras partent de l'arbre perpendiculairement à celui-ci et aboutissent chacun auxdits becs avant respectifs perpendiculairement à ladite lame non déformée. 11) Rotor selon la revendication 10, caractérisé en ce que chacun des dits bras est formé de deux tronçons successifs de part et d'autre d'une articulation, des moyens de rappel élastiques sollicitant les tronçons en alignement, et des moyens de couplage étant adaptés à lier les articulations en sorte que tous les becs avant soient simultanément à la même distance de l'arbre. 12) Rotor selon une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que lesdits becs avant sont fixés aux bras correspondants par l'intermédiaire de pivots parallèles à l'axe dudit arbre, un moyen à ressort rappelant ledit bec avant pour placer ladite lame normalement aux bras correspondants. 13) Rotor selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que chacune des pales comporte au moins deux lames déformables élastiquement indépendantes avec les bords d'attaque alignés. 14) Machine éolienne équipée de pales selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle possède un rotor selon une quelconque des revendications 9 à 13 avec un arbre moteur à axe vertical.