Brevet FR2425002A1 — publié le 19791130

L'invention est relative aux turbines éoliennes. Elle concerne plus particulièrement une turbine éolienne du genre comportant un rotor à axe de rotation horizontal logé dans un carénage. On a déjà proposé ou réalisé des éoliennes du genre précité. Le carénage est conformé de telle sorte qu'il constitue soit un conduit convergent dans lequel la roue à aubes ou à hélice du rotor est disposée au voisinage de la section de sortie, soit un conduit convergent-divergent, du genre venturi, dans lequel la roue est disposée dans la région du cal. Ainsi qu'on le montrera dans la présente description, ces machines du genre connu présentent au moins l'un des inconvénients suivants - mauvaise adaptation aux conditions d'emploi, - bruit excessif, - risque de survitesse lorsque le vent est trop fort, à moins d'utilisation de dispositifs de securité compliqués, - poids et encombrement du carénage excessifs. L'objet de l'invention est une turbine éolienne du genre comportant un rotor à axe horizontal logé dans un carénage, ledit rotor comportant au moins une roue à aubes ou à hélice ,mais la turbine de l'invention n'est pas affectée par les inconvénients précités et presente en outre des avantages qui seront définis plus loin. La turbine éolienne de l'invention est essentiellement carac terisée en ce qse le carénage est conformé de telle sorte qu'il constitue un conduit divergent dans lequel la roue du rotor est disposes au voisinage de la section d'entrée. Avantageusement, dans la turbine éolienne de l'invention: - la section de sortie du divergent est de l'ordre de trois fois la section d'entrée, - le carenage est muni de moyens de réglage de la section du conduit disposés en aval de la roue, - le carenage comporte des moyens de réduction du bruit, - le carenage est supporte par un pivot à axe vertical sur lequel il peut tourner librement et il est muni de moyens assurant son orientation autostable dans le lit du vent. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des cription suivante exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure I est un croquis schématique de la variation de section d'un flux d'air actionnant une roue de rotor d'éolienne dépourvue de carénage, - la figure 2 est un croquis schématique en coupe axiale d'une éolienne à axe de rotation horizontal selon l'art anterieur, avec un carénage formant un conduit conver gent, - la figure 3 est un croquis schématique en coupe axiale d'une eolienne à axe horizontal selon l'art antérieur, avec un carénage formant un conduit convergent-divergent, - la figure 4 est un croquis schématique en coupe axiale d'une éolienne à axe de rotation horizontal selon l'in vention, avec un carénage formant un conduit divergent, - la figure 5 est un dessin en coupe axiale verticale d'une eolienne à axe de rotation horizontal selon l'invention, dessin dans lequel la demi-coupe supérieure et la demi coupe inférieure montrent des formes différentes de réa- lisation, - la figure 6 montre une section transversale de ltépine 35 prise surivant la ligne VI-VI de la figure 5. On considère d'abord la figure I. On y a représenté un rotor 10 de machine éolienne comportant des pales 11 solidaires d'un moyeu 12. Ce rotor n'est pas caréné. On peut admettre en première approximation que le flux- d'air F agissant sur le rotor 10 est deli- mite par un contour C. L'énergie prélevée par le rotor provoque une chute de vitesse de l'air, c' est-à-dire que la vitesse de l'air. en aval du rotor est plus faible que la vitesse en amont.L'air étant pratiquement incompressible dans les conditions de fonctionnement, la loi de Bernouilli, exprimant la conservation du débit volumique, implique, si l'on appelle Sa, Sv et Sm les sections du tube fictif délimitées par le contour C respectivement en amont, en aval et au droit du rotor et Va, Vv et Vm les vitesses moyennes de l'air dans ces sections Sa. Va = Sm.Vm = Sv.Vv (1) avec : Sv > Sm DX Sa (2) et par conséquent : VvCVmCUa (3) Ledit tube fictif est donc un divergent. En outre, la théorie et I'expérience montrent que, sile rotor est bien adapté aux conditions de fonctionnement Sv = 3 Sa (4) et : 2 / Sm = 1 /Sa + 1 /5v (5) ce qui implique : Sm = 3 Sa / 2 (6) Vm = 2 Va / 3 (7) et : Vv = Vm / 2 (a) On considère maintenant la figure 2 dans laquelle, selon une première solution de l'art antérieur, le rotor 10 est dispose dans un convergent 13 au voisinage de la section de sortie de celuici. Ce convergent est présumé capable d'accroitre la puissance aérodynamique fournie au rotor en canalisant l'air et en augmentant ainsi sa vitesse.Mais la comparaison des figures 1 et 2 montre im médiatement que le convergent 13 est inutile du point de vue aérodynamique, puisque la section amont Sa du flux d'air demeure de toute façon inférieure à la section Sm au droit du rotor. Le convergent 13 ne serait utile que si le rotor 10 était entraîné par un moteur pour conférer de l'énergie au flux. Mais, utilisé avec une eolienne, le convergent ne fait qu'augmenter le poids, l'encombrement et le prix de l'installation tout en désadaptant la turbine. La figure 3 illustre- une solution de l'art anterieur plus rationnelle que celle de la figure 2. Le rotor 10 est disposé au voisinage de la section du col Sc d'un convergent-divergent 14, autrement dit d'un venturi. On admet que, pour une adaptation convenable du rotor et du venturi, le rapport de la section de sortie Ss à la section d'entrée Se doit être tel que Ss - 3 Se Cependant, à cause de la présence du rotor 10 dans le col, celui-ci ne laisse pas libre passage au flux de la section d'entrée. Une partie de ce flux retourne vers la section d'entrée en créant des courants parasites périphériques perturbateurs. En fait, le convergent du venturi se révèle inutile. La figure 4 montre la disposition de principe mise en oeuvre dans l'éolienne de l'invention. Le rotor 10 est disposé dans un divergent 15 au voisinage de la section d'entrée Se. Cette sec tion d'entrée Se joue le roule de la section amont Sa de la figure 1, tandis que la section de sortie Ss correspond à la section aval Sv de ladite figure 1. Par conséquent, d'après la relation (6), le fait de disposer le rotor 10 de la figure I à l'entrée du divergent 15 de la figure 4 permet de réduire la surface de la roue du rotor dans le rapport 3/2 , ce qui correspond à une réduction de diamètre d'environ 20%. Le supplément de masse et de prix du carénage est donc compensé par le gain de masse et de prix sur le rotor, qui est la partie la plus couteuse de l'éolienne.Mais l'adjonction du carénage 15 permet, par une conformation convenable, d'obtenir une adaptation optimale du fonctionnement de la turbine. On considère maintenant la figure 5. On rappelle que la demi-coupe supérieure est relative à une première forme de réalisation de l'éolienne de l'invention et la demi-coupe inférieure à une deuxième forme de réalisation. Dans ces deux formes de réalisation, le rotor 20 est identique ainsi que le profil du carénage 30, dont la section axiale est en forme d'aile épaisse. Par souci de simplification, on a omis de représenter la machine ou l'organe entraîné par le rot or 20, qui peut être par exemple un alternateur calé sur l'arbre du moyeu ou encore une roue ou un pignon actionnant un réducteur accouplé à une pompe. Les aubes 21 du rotor 20 sont portées par le moyeu 22 lui-même supportée par un arbre logé dans un palier caréné 23. Le palier 23 est lié par des bras 24, à section convenablement profilée, à la paroi interne du carénage 30. La paroi externe de celui-ci est supportée par un tourillon 32 à axe vertical par l'intermédiaire d'un anneau de renfort 31. Le tourillon 32 peut pivoter en rotation libre par rapport à un support vertical 33 par l'intermédiaire d'un arbre fou logé dans le support et non représenté. Le rotor 20 est disposé à l'avant du carénage 30 ; celuici est porteur, dans sa partie aval, d'empennages externes 34, qui permettent à l'éolienne de s'orienter dans le vent. L'ensemble constitue ainsi un système orientable autostable. L'auto-orientation peut également être obtenue au moyen d'épines disposées dans la partie aval de l'intérieur du carénage, telles que l'épine 35 représentée en trait interrompu. En ce qui concerne le carénage, et par comparaison avec un carénage de nacelle de moteur d'avion, il faut remarquer que ce carénage doit être adapté à des vitesses faibles ou relativement faibles de vent relatif, en ce qui concerne l'entrée. En conséquence, il devra comporter un rayon de bord d'attaque X assez grand (par exemple de l'ordre de 10 à 15% du diamètre de la section d'entrée), pour éviter les risques de décollements générateurs de pertes d'énergie et de tourbillons défavorables à la tenue du rotor. Inversement, vers l'arrière du carénage, il est nécessaire pour une nacelle de moteur que la forme s'amincisse pour éviter les dépressions qui provoqueraient une augmentation de traînée.Au contraire, pour un carénage d'éolienne, une augmentation de traînée du carénage d'une part n'a pas d'inconvénient majeur ; d'autre part, elle permet une simplification de fabrication et surtout provoque des dépressions vers l'arrière, qui augmentent l'énergie disponible sur l'aube du rot or. Ceci est particulièrement important dans le cas de vents faibles ou très faibles En conséquence, dans une solution préférée, le carénage et, si elles existent, les "épines" de stabilisation (35) seront avantageusement à bord épais vers l'arrière, comme représenté, à titre d'exemple, sur la figure 6, pour une épine de stabilisation où le culot Y provoque une dépression relative . L'éolienne de l'invention peut comporter avantageusement des dispositions relatives d'une part à la régulation de la vitesse du rotor, d'autre part, à l'insonorisation. La régulation est obtenue par obstruction partielle du conduit du carénage à l'aval du rotor. Un capteur tachymétrique non représenté délivre un signal de vitesse du rotor. Ce signal actionne un dispositif d'obstruction qui peut être constitué - soit, comme le montre la partie supérieure de la figure, par des volets 36 de bords de fuite munis de moyens non représentés, commandés par un régulateur prenant en compte la vitesse de rotation, et la vitesse du vent, pris séparément ou en combinaison, pour optimiser la puissance sur la courbe- du récepteur, - soit, comme le représente la partie inférieure de la figure, par une aiguille carénée 37 mue par des moyens non représantés, commandés par le signal de vitesse, pour la faire coulisser autour du carénage de moyeu 23 afin de lui conférer une position telle que 37a. La deuxième solution est aérodynamiquement préférable à la première car on peut donner à l'aiguille 37 une formeoptimale permettant de conférer à la veine en aval du rotor une forme évolutive et sans discontinuité. On remarque que c'est la conception du carénage de l'invention qui permet de disposer les moyens d'obstruction - qu'ils soient constitués par des volets ou par une aiguille - dans la partie en aval du rotor, c'est-à-dire là où ils sont les plus effi caces et où ils risquent le moins de perturber le fonctionnement aérodynamique de l'éolienne et d'engendrer des vibrations des pales du rotor. C'est aussi la conception du carénage de l'invention qui permet de disposer des moyens d'amortissement du bruit du rotor en aval de celui-ci. Ces moyens peuvent être constitués par un revêtement acoustiquement absorbant fixé sur la paroi interne du carénage Mais on peut aussi réaliser cette absorption dtune manière plus efficace en utilisant le carénage lui-même comme cavité antirésonante. La figure 5 an montre deux exemples. On peut du reste, dans le cas de la figure 5, partie inférieure, utiliser la ( ou les ) épine(s) stabilisatrice (s) comme cavité anti-résonnante. Dans la partie supérieure, l'intérieur de la structure du carénage est divisé en caissons par des voiles transversaux 41 et par des voiles longitudinaux 42. Certains de ces voiles sont représentés sur le figure 5, et peuvent notamment conférer à l'ensemble du carénage la rigidité nécessaire. Bien entendu, d'autres voiles n'ayant pas de fonction structurale, peuvent être ajoutés, en nombre suffisant pour ajuster la dimension des cavités à la fréquence acoustique la plus importante et la plus gênante. Chaque caisson, délimité par les voiles structuraux et/ou par les voiles ajoutés pour des motifs acoustiques, communique par des évents 43 avec la veine délimitée par le carénage intérieur. Dans la partie inférieure de la figure 5, l'intérieur de la structure du caisson est empli d'un matériau 44 acoustiquement absorbant ( feutre de verre, feutre métallique, matériau cellulaire ) et communique avec la veine par des évents 45. On peut d'ailleurs avantageusement combiner ces deux dispositions, ctest-à-dire introduire un matériau absorbant dans au moins certains des caissons délimités par les voiles 41 et 42. Les paramètres d'amortissement acoustique du caisson ( bandes de fréquences, coefficient d'amortissement, etc.. ) peuvent être ainsi ajustés en jouant sur les volumes des caissons, sur le nombre, les dimensions, et la forme des évents et sur les caractéristiques du matériau absorbant. La figure 5 que l'on vient d'examiner concerne des exemples non limitatifs de réalisation. De nombreuses variantes sont possibles. On peut par exemple constituer le rotor par plus d'une roue 21, l'essentiel étant que les roues soient toutes disposées dans la partie amont du carénage divergent. REVENDICATIONS 1. Turbine éolienne comportant un rotor comprenant au moins une roue à aubes ou à hélice à axe de rotation horizontal, ledit rotor étant logé dans un carénage, caractérisée an ce que le carénage est conformé de telle sorte qu'il constitue pour l'air entraînant le rotor un conduit divergent dans lequel la roue du rotor est disposee au voisinage de la section d'entrée. 2. Turbine éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section de sortie du divergent est de l'ordre du triple de la section d'entrée. 3. Turbine éolienne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le carénage, qui supporte l'axe du rotor, est lui-même supporté par un palier fou à axe vertical et comporte des moyens autostables d'orientation dudit carénage dans le lit du vent. 4. Turbine éolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens diorientation sont des empennages directeurs solidaires de la paroi externe du carénage en aval du palier à axe vertical. 5. Turbine éolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens d'orientation sont des épines directrices solidaires de la paroi interne du carénage en aval de la roue. 6. Turbine éolienne selon la revendication 5 caractérisée en ce que le carénage est profilé vers l'amont avec un grand rayon de bord d'attaque et que le carénage et les épines directrices présentent à l'arrière un bord de fuite tronqué. 7. Turbine éolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le carénage est muni de moyens de réglage de la vitesse de rotation du rotor comportant des mo-yens d'obstruction partielle de la section de sortie du divergent. 8. Turbine éolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de réglage sont asservis aux indications d'un capteur de vitesse de rotation du rotor. 9. Turbine éolienne selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens d'obstruction partielle sont constitués par des volets de bord de fuite du carénage. 10. Turbine éolienne selon la revendication 7 ou la revendication 8 caractérisée en ce que les moyens d'obstruction partielle sont constitués par une aiguille carénée coulissant dans le divergent. 11. Turbine éolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le carénage est muni de moyens d'atténuation du bruit du rotor. 12. Turbine éolienne selon la revendication 11, caractérisée en ce que, la section axiale du carénage étant en forme d'aile épaisse creuse, les moyens d'atténuation de bruit sont ménagés dans la cavité de l'aile. 13. Turbine éolienne selon la revendication 12, caractérisée en ce que lesdits moyens d'atténuation de bruit sont constitués par des évents ménagés dans la paroi interne de l'aile creuse, celle-ci formant ainsi au moins une cavité antirésonante. 14. Turbine éolienne selon la revendication 13, caractérisée en ce que ladite cavité antirésonante est divisée en caissons distincts par des voiles internes, chaque caisson communiquant avec l'intérieur du divergent par au moins un évent. 15. Turbine éolienne selon. la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisée en ce qu'un matériau absorbant est logé dans au moins une partie de la cavité.