Brevet FR2485106A1 — publié le 19811224

La présente invention a pour objet un système de production d'éner- gie d'origine éolienne. Les éoliennes actuellement utilisées sont des hélices à axe horizontal orientable, et sont de deux types selon leur utilisation. Les éoliennes, destinées à la production d'énergie sous forme électrique, sont des hélices rapides, bipales ou tripales, avec les inconvénients inhérents à ce type de capteur : fragilité car le rapport de la puissance éolienne à la surface des pales est grand ; bruit dû à une grande vitesse de rotation ; régulation sophistiquée, généralement par variation d'incidence des pales, donc onéreuse ; couple très faible au démarrage, et enfin risques d'emballement. Par contre le rendement est bon, mais sur une plage réduite du régime des vents. Les éoliennes utilisées pour le pompage sont généralement des hélices multipales, qui tournent lentement et disposent d'un bon couple au démarrage, mais dont le rendement est nettement moins bon ; de plus, en raison de l'importance de la surface active offerte au vent, de telles éoliennes sont à prévoir avec un système d'effacement des pales, ou de mise en drapeau de lthélice, dans le cas de vents forts. Dans ce cas aussi, la plage de récupération de L'énergie est assez étroite. On a donc cherché à conserver les avantages de chacun de ces deux types d'éoliennes, tout en éliminant leurs inconvénients respectifs. En conséquence, l'objet principal de la présente invention est un dispositif, permettant de capter l'énergie éolienne, avec un rendement acceptable sur une plage étendue du régime des vents, une vitesse de rotation modérée du rotor, et un couple notable au démarrage. Un autre objet est de supprimer tout système de régulation mécanique faisant intervenir les surfaces aérodynamiques actives, tel que variation d'incidence des pales, mise en drapeau de l'hélice, etc... Un autre objet est de supprimer les effets destructeurs des rafales, et d'atténuer le caractère éventuellement perturbé du vent local. Un autre objet est la destination plus particulière de ce type d'éolienne, à des sites soumis à un vent dominant, délivrant une part importante de la puissance éolienne du lieu, avec une fréquence suffisamment élevée dans le temps. Un autre objet est de pouvoir constituer un barrage éolien sur de tels sites, en superposant un certain nombre de ces éoliennes. Selon la présente invention, les objets ci-dessus sont réalisés par un dispositif éolien se composant, d'un carter, d'un stator situé à l'intérieur du carter et composé de surfaces directrices hélicoïdales ainsi que d'une ogive, et d'un rotor multipale, mobile autour d'un axe horizontal, et situé immédiatement à l'aval du stator. Selon l'utilisation envisagée, le rotor comporte plus ou moins de pales, et entraîne, soit un dispositif de production d'énergie électrique comportant une ou deux génératrices entraînées par un système multiplicateur, soit un dispositif hydraulique de pompage comportant une pompe, un variateur de vitesse et éventuellement un coupleur, soit un dispositif hydraulique de production de chaleur tel qu'un frein de Froude, etc... La présente invention est décrite comme suit dans les figures cijointes. La figure I représente une vue en perspective de l'ensemble constitué par le carter et le stator, lequel se compose d'un certain nombre de surfaces directrices et d'une ogive centrée sur l'axe du carter. La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du carter, selon un mode avec Venturi. La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale du carter, selon un mode en profil d'aile inversé. La figure 4 représente une vue en perspective d'une des surfaces directrices hélicoïdales constituant le stator. Cette surface directrice s'appuie à la périphérie sur le carter, et au centre sur l'ogive. La figure 5 représente une vue en perspective du rotor, dans le cas où celui-ci comporte six pales, ce qui est un mode possible. La figure 6 représente une vue en coupe longitudinale, de l'ensemble constitué par le carter, le stator, et le rotor. La figure 7 représente une vue en perspective du moyeu du rotor. Les figures 8 et 9 représentent chacune une vue en coupe, par un cylindre coaxial au carter, de l'extrémité d'une pale de rotor et du bord de fuite d'une surface directrice, selon deux modes différents possibles pour la forme des pales. La figure 10 décrit un mode de régulation mécanique éventuel, par sabots de freinage. La figure Il décrit un mode de transmission du mouvement par courroie crantée. La figure 12 décrit un autre mode de transmission du mouvement par pignons de renvoi. La figure 13 représente une vue en perspective d'un dispositif d'appui possible, lorsque l'éolienne est installée sur un site à vent dominant et n'a pas besoin d'être orientée. Les figures 14 et 15 décrivent un dispositif d'appui possible lorsqu'il est nécessaire d'orienter l'éolienne On pourra envisager une orientation manuelle ou automatique selon les besoins. La figure 16 représente un barrage éolien, constitué par des éoliennes identiques, disposées en quinconce par exemple. La description détaillée de la présente invention va permettre de mieux comprendre son mode de fonctionnement. Le carter 1 (figure 1) est une surface de révolution, approximativement un cylindre circulaire, dont la longueur sera usuellement prise entre le quart et la moitie du diamètre, ce qui paraît un compromis raisonnable entre des impératifs de stabilité et de massivité. Le rôle du carter est tout d'abord de servir d'appui aux surfaces directrices 2, et de constituer avec ces dernières et avec l'ogive 3, un bloc indéformable. Un autre objet est de servir à canaliser le vent incident ; sa surface intérieure doit donc être bien lissée. Selon un premier mode (figure 1), le carter a, extérieurement et intérieurement, la forme d'un cylindre circulaire d'axe 4. Selon un second mode (figure 2), le carter a extérieurement la forme d'un cylindre circulaire, mais est intérieurement en forme de Venturi ; la présence du Venturi a pour rôle, d'augmenter la vitesse du vent incident, de diminuer le diamètre du rotor tout en augmentant sa vitesse de rotation, ainsi que d'accroître la rigidité du carter et de permettre une évacuation facile des eaux de pluie. I1 est toutefois essentiel pour des raisons aérodynamiques, d'adopter un diamètre au col 6 voisin du diamètre d'entrée 7 du carter on prendra par exemple un diamètre au col 6 valant les neuf dixièmes du diamètre d'entrée 7. Selon un troisième mode (figure 3), le carter 1 est une surface de révolution, engendrée par une méridienne 8, qui est en forme de profil d'aile, l'extrados étant du côté de l'axe 4, donc à l'intérieur du carter. On choisit un profil dont le squelette a une courbure notable, et dont le calage 9, par rapport à la direction de l'axe 4, est celui correspondant au maximum de la portance. On utilise ainsi une technique de concentration passive de l'énergie, disponible au col 6 du carter. En outre, le diamètre d'entrée 7 du carter se trouve alors être inférieur à son diamètre de sortie 10, ce qui permet de se rapprocher des conditions optimales de fonctionnement, déduites de la théorie de Betz. Un autre rôle de la présence du carter (figure 16), est de donner la possibilité de superposer plusieurs éoliennes sur un site à vent dominant, et de constituer ainsi un barrage éolien non orientable. On choisira en ce cas la forme du carter selon l'un des deux premiers modes. La figure 16 montre un mode possible de superposition, dite en quinconce. On-pourra laisser libre les interstices entre les éoliennes, afin d'augmenter la porosité du mur éolien, et de se placer ainsi dans de bonnes conditions de fonctionnement, d'après la théorie de Betz. Le stator est constitué par un certain nombre de surfaces directrices 2, de forme hélicoidale, toutes identiques, dont le nombre n'est pas inférieur à six ; ces surfaces seront d'autant moins larges qu'elles seront plus nombreuses. Le stator s'étend de l'avant du carter i, jusqu'au col eventuel 6, c'est à dire occupe entre le tiers et les deux tiers de la longueur du carter, selon le mode choisi pour le carter, et selon le nombre, donc la largeur, des surfaces directrices du stator. La courbe Il (figure 4) > intersection du carter 1 avec une surface directrice 2, est régulière, par exemple à courbure constante. La tangente à ltextrêmite de cette courbe, située à l'avant du carter, est parallèle à l'axe 4, et la tangente à l'autre extrêmité, c'est à dire au bord de fuite de la surface directrice, fait un angle 12 avec l'axe 4. On verra plus loin la valeur à donner à cet angle 12. Les surfaces directrices doivent être bien lissées, avec un bord d'attaque arrondi, une épaisseur constante, suffisante pour assurer la rigidité, et un bord de fuite effilé. Le rôle du stator est de transformer le flux frontal du vent incident, en un flux partiellement tangentiel, d'accélérer ce flux, et de le canaliser en le régularisant, lorsque le vent local présente un caractère perturbé. Un autre rôle du stator est d'augmenter substantiellement le couple au démarrage, puisque le flux du vent est rendu tourbillonnaire dans le sens de la rotation du rotor. Un autre rôle est de transformer les rafales de vent en variation du couple moteur, ce qui réduit considérablement les efforts de flexion sur les pales du rotor. Un autre rôle est de provoquer, en cas de coup de vent très violent, un effet de refoulement; l'ensemble constitué par le carter et le stator se comportant alors, dans une certaine mesure, comme un obstacle. Cet effet provoque ainsi une limitation de la puissance par des moyens purement passifs. Ce phénomène est d'autant plus rapide, que la courbure des surfaces directrices est grande, c'est à dire qu'elles sont moins larges, et que l'angle 12 est grand, sans toutefois dépasser pour cet angle une certaine limite, au-delà de laquelle le rendement chuterait. L'ogive 3 (figure 1) est une surface de révolution, dont la méridienne est appriximativement un arc de cercle. Cet arc tourne sa concavité vers l'axe 4 ; l'extrêmité de cet arc, située à l'avant du carter 1, est sur l'axe 4, et la tangente à l'autre extrémité est parallèle à cet axe. L'ogive sert d'appui aux surfaces directrices 2, et a même longueur que le stator. Le diamètre aval 13 (figure 4) de l'ogive est au moins égal à celui du moyeu 14 du rotor (figure 5). Un rôle de l'ogive 3 est de servir de carénage aérodynamique au moyeu 14 du rotor, moyeu situé immédiatement derrière l'ogive. Un autre rôle de l'ogive est de permettre dty fixer l'axe de rotation 15 du rotor (figure 6). Un autre rôle de l'ogive est de servir éventuellement de logement à une génératrice entraînée par un multiplicateur, également logé dans l'ogive, et relié au rotor. Le matériau constitutif de l'ensemble composé par le carter, le stator et l'ogive peut être, une matière plastique, le bois, ou le ferro-ciment (technique de construction navale). On peut prévoir la construction, en un seul bloc, ou en éléments détachés susceptibles d'un assemblage simple. Avant de passer à l'étude du rotor, il est nécessaire de remarquer que les impératifs de la théorie de Betz doivent être respectés. Cette théorie implique qu'une éolienne doit rester suffisamment poreuse, sous peine de se comporter comme un obstacle et d'avoir un rendement médiocre. En conséquence, le Venturi constitué par le rétrécissement éventuel du carter, par l'ogive et par le stator doit être très modéré. De même l'angle 12 que fait, au voisinage du carter, le bord de fuite d'une surface directrice 2, avec l'axe 4, ne doit pas excéder une valeur approximative de 600. Le rotor (figure 5) est une hélice multipale, placée à l'aval du stator. Les espacements 16 et 17 (figure 6) entre le rotor et le stator d'une part, et entre le rotor et le carter d'autre part, sont relativement petits, entre trois et cinq centimètres par exemple. Les pales 18 du rotor sont en nombre variable, selon l'utilisation souhaitée : on augmentera le couple moteur en augmentant le nombre des pales, au détriment de la vitesse de rotation et du rendement. Selon un mode préféré, les pales du rotor seront non vrillees pour la simplicité de la fabrication, et seront, soit en forme de profil d'aile dans le cas de pales peu nombreuses, en vue d'obtenir un bon rendement, soit en forme de profils d'aubes, dans le cas de pales nombreuses, en vue de se rapprocher de la configuration usuelle des turbines à gaz, et d'obtenir dans ce cas encore un rendement correct. On choisira pour les pales un allongement voisin de celui adopté sur les éoliennes classiques, ce qui ne nuira pas à la solidité puisque le rotor est protégé par le stator. Les angles de bord d'attaque 19 et de bord de fuite 20 (figures 8 et 9) des pales du rotor, se calculent en accord avec la théorie de Betz et avec celle des turbomachines. Si lton note a, b, et c, les angles 12, 19, et 20, on pourra utiliser par exemple les relations tg a . tg c = 1 + 24 tg b = 0,7(tg c - tg a) où le symbole tg désigne la tangente de l'angle correspondant, et où désigne le rendement mécanique par rapport à la limite de Betz, de l'éolienne. I1 paraît raisonnable d'adopter pour Les pales 18 du rotor sont solidaires du moyeu 14, qui tourne librement, grâce à des roulements 21 par exemple (figures 11 et 12), autour de l'axe 15 encastré dans l'ogive 3 (figure 6). On pourra envisager également un palier lisse, ce qui permet de supprimer les roulements. Selon un mode préféré, le moyeu 14 du rotor est une pièce cylindrique évidée (figure 7), comportant des évidements 22, au nombre de douze par exemple, dans lesquels sont emmanches et boulonnés les pales du rotor, en nombre variable ; lorsque les évidements du moyeu sont au nombre de douze, on pourra fixer trois, quatre, six ou douze pales, selon l'utilisation souhaitée. Les pales 18 du rotor, dès qu'elles sont en nombre suffisamment grand, sont reliées entre elles par un cerclage périphérique 23 (figure 5), tubulaire selon un mode préféré. Ce cerclage est fixé au quart avant de l'extrêmité de chaque pale (figures 8 et 9), de façon à réduire les effets de torsion sur les pales. Un relue de ce cerclage est d'augmenter substantiellement la cohésion du rotor. Un autre rôle de ce cerclage est de servir éventuellement de support à un dispositif de régulation mécanique (figure 10), par exemple en fixant sur lui des sabots de freinage 24, lesquels viennent en contact, sous l'effet de la force centrifuge, avec une piste de freinage 25 sertie dans le carter 1. On envisage pour le rotor une construction mixte : acier ou alliage spécial pour le moyeu 14 et l'axe 15 ; plastique, bois ou alliage léger pour les pales ; alliage léger pour le cerclage. Selon un premier mode (figure 11), privilégié dans le cas où l'éolienne n'est pas prévue orientable, la transmission du mouvement se fera par courroie crantée 26. Selon un second mode (figure 12), privilégié dans le cas où l'éolienne est orientable et où l'on désire utiliser l'énergie sous forme mécanique, on transmettra le mouvement du rotor au moyen d'un pignon de renvoi 27 (figure 12), > 1'axe de transmission vertical 28 coïncidant avec l'axe d'orientation 29 (figure 15). Ces modes de transmission ne sont pas limitatifs. La figure 13 représente un mode possible d'appui fixe 30, en forme de dièdre à arête verticale dans le cas d'installation non orientable. Les figures 14 et 15 représentent de façon sommaire un dispositif d'appui possible permettant d'orienter l'éolienne, soit manuellement, soit automatiquement par un dispositif non décrit. REVENDICATIONS 1. Eolienne caractérisée en ce qu'elle se compose, d'un carter contenant un stator constitué par des surfaces directrices fixes, se raccordant sur le carter et sur une ogive, centrée sur l'axe du carter ; qu'elle se compose également d'un rotor multipale, situé à l'aval du stator, et mobile autour d'un axe encastré dans l'ogive, ce rotor étant relié à un moyen de transmission, relié lui-même à un appareil de puissance. 2. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le carter a la forme d'une surface de révolution, qui peut être extérieurement de forme cylindrique avec éventuellement une forme de Venturi à ltinterieur, ou -qui peut être engendrée par un profil d'aile, dont l'extrados est tourné vers l'intérieur du- carter, et dont le calage par rapport à l'axe correspond à la portance maximale. 3. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stator comporte au moins six surfaces directrices de forme hélicoïdale, destinées à canaliser et à rendre tangentiel le vent incident. 4. Eolienne selon les revendications 1 et 3, caractérisées en ce que les surfaces directrices du stator se raccordent sur le carter et sur une ogive profilée, dont le diamètre aval est au moins égal au diamètre du moyeu du rotor. 5. Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor est à pales fixes, et comporte un cerclage périphérique rendant les pales solidaires entre elles. 6. Eolienne selon les revendications 1 et 5, caractérisée en ce que le moyeu du rotor est une pièce cylindrique qui comporte un certain nombre d'évidements servant à fixer les pales, en nombre variable, sur le moyeu du rotor.