Brevet FR2472677A1 — publié le 19810703

- L'invention concerne les hélices qui sont utilisées pour entraîner tou- te machine éolienne en général, et les aérogénérateurs en particulier. - Une hélice d'éolienne ou d'aérogénérateur doit accomplir plusieurs fonctions contradictoires Première fonction : Produire la puissance la plus elevée possible en régime de fonctionnement nominal. Un tel résultat est obtenu par des hélices dites "rapides" dont le rendement par rapport à la limite de BETZ est maximal. Ce rendement est fonction de plusieurs paramètres choix du profil de pale angle de calage dimensions des pales : longueur, largeurs épaisseur. En particulier : en régime nominal, c'est-à-dire à grande vitesse, l'angle de calage est faible ! quelques degrés) et les pales doivent être les plus fines pcssibles. Deuxième fonction : Permettre un démarrage aisé. Cette fonction est en principe incompatible avec la première, car elle suppose - lm angle de calage élevé : plusieurs dizaines de degrés - une surface au vent la plus grande possible, peu compatible avec le choix de pales fines. Troisième fonction : Sur beaucoup de machines éoliennes, l'hélice doit en outre se freiner elle-meme par grand vent. Une des solutions les plus courantes pour concilier les impératifs de ces fonctions est l'hélice à calage variable. Dans cette solution, un système mécanique fait rier le calame des pales aux divers régimes de fonctionnement : démarrage, marche nominale, fonctionnement en frein. Bien qu'éprouvée, la solution est compliquée mécaniquement et donc chère. De fait, les aérogénérateurs utilisant ces hélices à calage variable, S'ils sont parfaitement fiables, sont aussi très coûteux par rapport à la puissance produite, ce qui limite leur usage à des créneaux de marché très particuliers. Notre invention a donc comme objectif : fournir aux constructeurs une hélice très simple, très bon marche, sans sacrifier aux performances aérodynamiques. conformement à l'invention, ce résultat est obtenu par la combinaison de deux moyens. 10 une pale unique à "calage fixe" assure la propulsion à grande vitesse (le terme "calage fixe est explicité page 3 ). C'est sa fonction unique. Elle est donc optimisée dans ce but : faible largeur, faible épaisseur, faible angle de calage permettent d'atteindre un rapport u# 10, ou u = vitesse en bout de pale v = vitesse du vent réel. Bien entendu, la contribution d'une telle pale au démarrage est très faible. 20 Un dispositif auxiliaire permet le démarrage de l'hélice, en respectant les conditions suivantes 2.1. Ne pas perturber de façon sensible la pale principale à sa vitesse nominale. 2.2. Présenter néanmoins une surface au vent suffisante et une géométrie étudiée pour produire un couple convenable à l'arret. Nous définissons une "surface d'action" de ce dispositif "Sa" qui est la surface frontale balayée par le dispositif auxiliaire. Le rapport où où Sp est la surface totale balayée par lthélice est un paramètre majeur qui détermine le degré d'interférence entre le dispositif auxiliaire et la monopale principale. Plusieurs géométries et formes differentes peuvent etre invaginées pour r6ali- ser le dispositif auxiliaire, à condition de respecter les règles 2.1 et 2.2. A titre illustratif mais nullement limitatif, nous décrivons ci-après un exemple de réalisation où le dispositif auxiliaire est fait d'ailettes rectangulaires et planes. Nos essais ont été faits sur 3 variantes d'un même prototype Variante 1 : 1 monopale seule Variante 2 : 1 monopale (la même) et 1 ailette Variante 3 : 1 monopale (la même) et 2 ailettes. Il est évident que les ailettes servent aussi de contrepoids. Seule la variante 2 est représentée sur les planches 1 et 2. Les caractéristiques de la variante 2 sont les suivantes Monopale : Profil NACA 4412 Longueur : 85 cm Largeur : 6 cm Epaisseur maximale : 0,8 cm Rayon d'action en bout de pale : 88 cm Sp : 2,43 m2 Angle de calage : (fixe) 4 Ailette auxiliaire Rectangulaire plane Longueur : 22 cm Largeur : 18 cm Epaisseur : 0,1 cm Contrepoids intégré à l'ailette Angle de calage : (fixe) 250 Rayon d'action : 25 cm Sa = 0,19 m2 Sa (p = 0,0T8) Les résultats obtenus pour chacune des 3 variantes sont résumés dans le tableau suivant : I Vitesse de rotation I Vitesse du vent minimale Dispositif Dispositif pour un vent de 15 KM/H I au démarrage I Pour un I r Pas d'ailette auxi liaire 1 I 480 T/M I NON -MESUREE I 1 ailette 1 480 T/M I 15 KM/H I 1 2 ailettes 1 480 T/M I 10 KM/H I Sa Il ressort clairement de ce tableau que pour le rapport Sp considéré, les ailettes n'exercent pas de perturbations sensibles à la vitesse nominale et qu'en particulier la vitesse nominale est pratiquement fixée par le choix des paramètres relatifs à la monopale. La planche 1 représente une vue de face de la variante 2. La direction du vent est normale au plan de la feuille, et va de l'avant sers l'arrière. L'échelle est de 1/5. La planche 2, à l'échelle 1, est une vue de dessus de la meme variante 2. La planche 3 explicite ce que nous entendons par "angle de calage", u et v. Explicitons d'abord le terme "calage fixe". Dans l'exemple utilisé, la monopale n'est pas vrillée. Toutes les sections de pale font a un instant donné le même angle a avec le plan de rotation. Une monopale non vrillée peut avoir un calage variable ou fixe suivant que l'ensemble de la pale a la possibilité ou non de pivoter autour d'un axe normal aux sections droites de la pale. Une monopale vrillée a un calage variable dans l'espace et variable dans le temps si le pivotement décrit ci-dessus est possible, ou variable dans l'espace et fixe dans le temps s'il ne l'est pas. Dans tout ce qui précède, le vocable "calage fixe" est donné pour "calage fixe dans le temps" et inclut les pales vrillées. Cet angle, chaque fois que nous faisons allusion à sa valeur, est mesuré en bout de pale. Le symbole "u" représente la vitesse linéaire en bout de pale. Le symbole "v" represente le vecteur vitesse du vent réel, il s'ensuit que le vent apparent en bout de pale est la somme vectorielle U -+ V. Notre exemple de réalisation utilise comme dispositif auxiliaire de démarrage une ou plusieurs ailettes. Il va de soi que l'invention ne se limite nullement à cet exemple de réalisation, mais embrasse au contraire toute géométrie relative au dispositif auxiliaire de démarrage qui respecterait les conditions 2.1 et 2.2 citées précédemment. Une des applications de l'invention immédiatement intéressante peut être la réalisation de petits aérogénérateurs à très faible coût de revient susceptibles de concurrencer efficacement les panneaux photovoltalques. En particulier, la navigation de plaisance utilise des batteries, qu'il faut recharger périodiquement. Il existe déåà des chargeurs de batteries éoliens pour cet usage. L'hélice en question permettrait dtaméliorer leur rendement pour un prix de revient vraisemblablement comparable, compte tenu de sa simplicité d'exécution. REVENDiCATiONS 1. Hélice monopale à dispositif auxiliaire de démarrage, caractdrisée par le fait que la monopale, t calage fixe quel que soit le régime de fonctionnement, est optimisée pour la vitesse nominale de fonctionnement de l'appareil, à savoir - angle de calage faible faisant travailler la monopale sous l'incidence optimale du profil aérodynamique choisi, à la vitesse de rotation nominale. - finesse aerodynamique la plus grande possible compatible avec la résistance du matériau utilisé. Cette monopale à calage fixe peut être indifféremment vrillée ou non vrillée. 2. Hélice monopale suivant la revendication 1, caractérisée par la présence d'un dispositif auxiliaire de démarrage inscrit dans une surface frontale Sa, et répondant aux deux cr tères suivants - le rapport Sa est suffisamment faible pour que l'action du dispositif Sp auxiliaire influence peu la monopale en régime normal. - La géométrie du dispositif auxiliaire permet de transformer la poussée axiale du vent en un couple de démarrage suffisant pour l'engin éolien en question.