Brevet FR2482673A1 — publié le 19811120

24&8X73 La présente invention concerne des turbines éoliennes et, plus particulièrement, des turbines éoliennes conçues pour un rendement optimum lorsqu'el- les sont maintenues dans une orientation particulière par rapport à la direction du vent. Les turbines éoliennes ou les éoliennes du type comportant un moyeu ou un rotor sur lequel sont montées plusieurs pales à surfaceportante conçues pour tournerautour d'unaxe horizontal, fonctionnent généralement avec un rendement optimum lorsque le rotor et les pales sont orientées dans la direction du vent ou sous un angle de un ou deux degrés par rapport à cette direction. Afin que le moyeu puisse s'orienter de lui-même dans la direction du vent, il est généralement monté de façon à pouvoir pivoter au- tour d'un axe de lacet vertical, au même titre qu'un ar- bre reliant ce moyeu à la charge de la turbine. Autant que l'on sache, les axes de lacet de ces turbines éolien- nes de la technique antérieure étaient jusqu'à présent dispo- sés généralement dans une relation coplanaire (d'intersection) avec l'axe de rotation de l'arbre. On a utilisé à la fois des éléments actifs et des éléments passifs pour compenser le mouvement de la- cet d'une turbine éolienne dans le but de maintenir cette dernière dans une orientation désirée par rapport à la direction du vent. En ce qui concerne les éléments ac- tifs, on fait généralement appel à un capteur de direc- tion du vent qui, à l'intervention d'un système de com- mande approprié, actionne un élément destiné à imprimer un mouvement de lacet au moyeu en vue d'orienter ce der- nier dans la direction du vent, ainsi qu'un élément main- tenant cette orientation du moyeu aussi longtemps que la direction du vent reste constante. En ce qui concerne les éléments passifs, on se fonde sur un effet de "gi- rouette" dans lequel la charge latérale imposée au moyeu et à la structure collatérale par le vent maintient la turbine en alignement avec la direction du vent. Bien que les éléments actifs permettent d'orienter et de maintenir efficacement la turbine dans la direction du vent, ils impliquent généralement l'utilisation d'un appareillage complexe, si bien qu'ils ont tendance à réduire le rendement économique de la turbine en éle- vant ainsi le coût de l'énergie fournie par cette der- nière. Le mécanisme passif ou à effet de girouette destiné à compenser le mouvement de lacet d'une turbine s'est avéré relativement efficace lorsqu'il est appliqué à des turbines éoliennes comportant des pales relative- ment courtes et rigides. Toutefois, dans les grandes turbines éoliennes de conception moderne comportant des pales d'une longueur de 38 mètres ou plus, afin de ré- duire le poids au minimum, ces pales sont parfois réali- sées en une structure composite et creuse ayant une im- portante élasticité inhérente. Si elles sont montées rigidement sur le moyeu en étant ainsi exposées à des gradients verticaux de vitesse du vent et à des forces de gravitation au cours d'un fonctionnement normal, ces pales de turbines éoliennes ont tendance à se cintrer ou à subir un "battement" de manière cyclique, contrecarrant ainsi le maintien de l'orientation de la turbine dans la direction du vent. Si, dans le but de rattraper les gradients verticaux de vitesse du vent, les pales sont montées de manière pivotante sur le moyeu et en relation de pivotement par rapport à un axe d' "oscillation" orien- té transversalement à l'axe de rotation du moyeu et de l'arbre, la rotation des pales ainsi montées supprime le battement élastique précité, mais elle entraîne néanmoins une précession horizontale du moyeu et des pales autour de l'axe d'oscillation. Cette précession est le résul- tat de la rotation et de l'oscillation combinées. des pa- les sous l'influence des gradients verticaux de vitesse du vent et de la gravité,et elle a pour effet d'amener la turbine à se déplacer angulairement en dehors de son orientation correcte par rapport à la direction du vent, suite à un mouvement de pivotement autour de l'axe de lacet. En conséquence, un objet de la présente inven- tion est de fournir une turbine éolienne munie d'élé- ments perfectionnés destinés à compenser son mouvement de lacet dans le but de régler et de maintenir l'orien- tation de cette turbine directement dans le vent. Un autre objet de la présente invention est de fournir une turbine éolienne du type précité, dans la- quelle les éléments de compensation sont de nature passi- ve. Un autre objet encore de la présente invention est de fournir une turbine éolienne du type précité, 1S dans laquelle les éléments de compensation sont économi- ques, si bien qu'ils n'interviennent pasdans une impor- tante mesure dans le coût de la turbine ou de l'énergie produite par celle-ci. Suivant la présente invention, on prévoit une turbine éolienne comportant un élément passif destiné à compenser le mouvement de lacet de cette dernière, de façon à régler et maintenir l'orientation de cette tur- bine éolienne généralement dans la direction du vent en dépit du battement et/ou du mouvement oscillant des pa- les autour de 1' axe- d'oscillation du moyeu. Cette compensation du mouvement de lacet est assurée par une disposition décalée de l'axe de lacet par rapport à l'axe de rota- tion du moyeu. L'ampleur.de ce décalage sera déterminée par la vitesse moyenne du vent dans la région o la tur- bine doit être mise en service, par l'amplitude du gra- dient vertical de vitesse moyenne du vent, ainsi que par la géométrie de la turbine elle-même. En raison du mou- vement oscillant ou du battement précité des pales, ce vecteur de poussée est décalé ou dévié angulairement par rapport à l'axe de rotation du moyeu. Ce décalage laté- ral de l'axe de lacet par rapport à l'axe de rotation, dans une position colinéaire avec le vecteur de poussée dévié, empêche le vecteur de poussée d'établir un désé- quilibre de moment ou de couple de la turbine autour de l'axe de lacet et il compense le mouvement de lacet de la turbine pour amener cette dernière dans une orienta- tion angulaire ou une position dans laquelle elle est dirigée pratiquement face au vent afin de fonctionner avec un rendement optimal. L'axe de lacet peut être dé- calé davantage en vue de compenser un déséquilibre du mouvement de lacet suite à l'application de moments de flexion des pales à la nacelle de la turbine, tout en compensant le décalage précité du vecteur de poussée. Les caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après don- née en se référant aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation de face de la turbine éolienne suivant la présente invention; la figure 2 est une vue isométrique agrandie de l'intérieur du moyeu de la turbine, des parties de ce moyeu étant élaguéesafin d'illustrer des détails de construction; la figure 3 est une&vue en élévation latérale de la turbine éolienne de la présente invention; la figure 4 est une vue en plan par le dessus de la turbine éolienne de la présente invention, cette vue illustrant la coïncidence entre l'axe de lacet de la turbine et la représentation vectorielle de la pous- sée nette du vent agissant sur les pales de la turbine; la figure 5 est une vue en coupe de la pale su- périeure illustrée en figure 3, cette vue étant prise suivant la ligne 55 de cette dernière et illustrant les forces de portance et de traînée agissant sur cette pale; la figure 6 est une vue en coupe de la pale in- férieure illustrée en figure 3, cette vue étant prise suivant la ligne 66 de cette dernière et illustrant les forces de portance et de traînée agissant sur cette pale; la figure 7 est une vue en plan par le dessus d'une turbine éolienne de la technique antérieure dans laquelle l'axe de lacet et l'axe de rotation du moyeu s'intersectent; cette figure illustre la déviation du vecteur de poussée net du rotor par rapport à l'axe de rotation du moyeu en réponse à un battement ou à un mouvement oscillant des pales; la figure 8 est une vue semblable à la figure 7, mais elle illustre le défaut d'alignement de l'axe-de lacet de la turbine éolienne de la technique antérieure par rapport à la direction du vent suite à la déviation ou au décalage angulaire du vecteur de poussée vis-à-vis de l'axe de lacet; la figure 9 est une représentation graphique de la relation existant entre l'accélération du mouve- ment de lacet et l'angle de lacet pour deux grandes turbines éoliennes spécifiques construites conformément à la technique antérieure comme illustré dans les figures 7 et 8, une de ces turbines étant pourvue d'un accouplement oscillant entre les pales et le moyeu, tandis que l'autre est pour- vue d'un accouplement rigide; et la figure 10 est une représentation graphique des relations existant entre le rapport de puissance et l'angle de lacet, ainsi qu'entre le rapport de poussée et l'angle de lacet pour une grande turbine éolienne spéci- fique. En se référant aux figures 1-4, la turbine éolien- ne à mouvement de lacet stabilisé suivant la présente in- vent ion comprend deux pales à surface portante 6et 7 montées surun moyeu rotatif 9 à partir duquel elles s'étendent radialement vers l'avant et vers l'extérieur. Ce moyeu peut tourner autour d'un axe 12 et il est accouplé à la charge asso- ciée à la turbine éolienne, en l'occurrence, un alterna- 248'2673 teur ou un générateur électrique (non représenté) au moyen d'un arbre principal 15 (figure 2) tournant égale- ment autour de l'axe 12. Lors d'une mise en service normale, la charge et n'importe quel train d'engrenages (non représenté) requis pour élever la vitesse de rota- tion de l'arbre 15 par rapport à la charge, sont dispo- sés dans une nacelle 18, laquelle est située immédiate- ment contre le vent par rapport aux pales et au moyeu. Sous l'action du vent, la nacelle et l'assemblage moyeu- pales peuvent pivoter à la manière d'une girouette autour d'un axe de lacet 21 qui peut coïncider avec l'axe d'un pylône ou d'une structure 24 supportant la turbine éolien- ne de manière pivotante à l'intervention d'un palier à mouvement de lacet 27. Comme le montrent plus claire- ment les figures 1 et 4, l'axe de lacet 21 est décalé latéralement par rapport à l'axe de rotation 12 de l'ar- bre 15 dans le but de stabiliser le mouvement de lacet de la turbine éolienne et maintenir ainsi cette dernière orientée généralement dans la direction du vent ou sous un angle de un ou deux degrés par rapport à cette direc- tion. Comme on le sait généralement, les vents présen- tent fréquemment des gradients de vitesse verticaux. En d'autres termes, à proximité de la surface de la terre, la vitesse du vent a spécifiquement une amplitude nette- ment inférieure à celle de la vitesse du vent mesurée en des points distants de cette surface, c'est-à-dire à 60 ou 90 mètres de cette dernière, En conséquence, en sup- posant que les pales soient de pas égaux, lors de la ro- tation de ces dernières, à n'importe quel moment détermi- né, la pale occupant la position supérieure extrême est exposée à des vents dont la vitesse et l'angle d'attaque sont supérieurs à ceux des vents auxquels est exposée la pale occupant la position inférieure extrême. En se ré- férant aux figures 5 et à, en n'importe quel point axial de la pale supérieure 6 (défini par le rayon r mesuré de- puis l'axe de rotation du moyeu), cette dernière est sou- mise à l'action de l'air dont la vitesse résultante est constituée de la somme vectorielle de- la vitesse du vent au rayon r (Vw) et de la vitesse du vent (Qur) à laquelle est soumise la pale uniquement en raison de sa propre ro- tation. La résultante-définit, avec la corde de la pale 6, un angle d'attaque a0. De la même manière, la vitesse résultante du vent agissant sur la7 pale 7 (c'est-à-dire la pale occupant la position inférieure extrême) est la somme vectorielle de la vitesse du vent (Vw') mesurée au rayon r et de la vitesse (O2r) à laquelle est soumise la pale 7 suite à sa propre rotation. En raison de l'ampli- tude de V ', cette résultante définit, avec la corde de la pale 7, un angle d'attaque a2 sensiblement inférieur à l'angle a. Etant donné que la portance associée à chacune des pales 6 et 7 est proportionnelle à l'angle d'attaque, la portance exercée sur la pale occupant la position supérieure extrême est, comme le montrent les dessins, sensiblement supérieure à celle exercée sur la pale inférieure. Lors de la rotation des pales, chacune d'elles occupe périodiquement des positions-supérieure et inférieure si bien que, lorsque ces pales sont montées rigidement sur le rotor, la variation survenant dans la portance agissant sur chaque pale à mesure qu'elle occu- pe périodiquement des positions supérieure et inférieure, provoque une flexion ou un "battement" périodique de cette pale. Ce battement est non seulement virtuellement préjudiciable pour la pale, mais il provoque également-un mouvement de lacet de la turbine, laquelle est ainsi dé- viée de son orientation correcte, en partie suite à des moments de lacet perturbateurs résultant directement de la flexion de la pale et en partie suite à un décalage an- gulaire dans la résultante vectorielle de la poussée agis- sant sur les pales. On peut supprimer la flexion ou le battement pé- riodique en prévoyant un accouplement pivotant entre les pales et le moyeu comme illustré en figure 2. Comme le montre cette figure, les pales sont montées sur un ar- bre-tronqué creux 30 à travers lequel-passe l'arbre principal 15. L-'arbre principal et l'arbre tronqué com- portent des ouvertures alignées destinées à recevoirz-un pivot-33, lequel s'étend généralement dans une direction transversale par rapport à l'axe de rotation 12 et aux axes longitudinaux des pales. Grâce à cette construc- tion "articulée" ou "oscillante", le battement périodique précité des pales est remplacé par un pivotement cyclique de ces dernières sur le moyeu, autour de l'axe longitudinal du pivot (axe d'oscillation). En conséquence,é à mesure que-les pales tournent sous l'influence du vent dominant, el- les se déplacent de manière cyclique dans-(avec) et en dehors (contre) du vent par un mouvement oscillant cy- clique sur le pivot 33. Ce mouvement oscillant autour du pivot lors de la rotation des pales entraîne, par précession, un pivo- tement du moyeu et des pales autour de l'axe d'oscilla- tion, ce pivotement ayant une amplitude maximum lorsque le pivot est orienté verticalement. Bien que l'amplitude de ce mouvement oscillant de précession dépende de la vitesse du vent, du gradient de ce dernier, de la confi- guration des pales, ainsi que d'autres aspects de la conception de la turbine et des conditions de fonctionne- ment de cette dernière, un tel mouvement a pour effet de déplacer angulairement le moyeu et les pales de un ou deux degrés par rapport à la direction du vent. En se référant à la figure 7, le déplacement angulaire du moyeu et des pales en dehors de l'alignement avec la direction du vent entraîne une déviation ou un déplacement angulaire semblable de la résultante vectorielle de la poussée net- te agissant sur les pales, ce vecteur de poussée étant défini comme étant perpendiculaire à une ligne intersec- tant les têtes des pales. La déviation du vecteur de poussée donne lieu à un déplacement angulaire de ce vec- teur en dehors de l'orientation colinéaire avec l'axe de 248L673 lacet. En conséquence, le vecteur de poussée ainsi décalé applique, à la turbine, un moment de lacet qui donne lieu à un déplacement exagéré de l'axe de lacet par rapport à la direction désirée du vent comme le mon- tre la figure 8. En se référant à la figure 9, on représente les effets exercés par le décalage du vecteur de pous- sée conjointement avec le déplacement résultant de l'axe de lacet du moyeu pourde grands rotors de turbines éoliennes spé- cifiques articulés (pales à accouplement oscillant) et non articulés (pales à accouplement rigide) à une vi- tesse de vent de 25 mètres par seconde. Comme le mon- trent les courbes de cette figure, ces rotors de turbines éoliennes articulés et non articulés aptes à pivoter li- brement autour d'un axe de lacet effectueront d'eux- mêmes un important mouvement de lacet au départ de l'orientation désirée de 00 (angle d'entrée). C'est ain- si que, au départ d'un angle d'entrée de 0 , le rotor ar- ticulé effectuera un mouvement de lacet qui fera dévier son orientation d'environ 15, 'tandis que, s'il est réglé à 00, le rotor non articulé pourrait effectuer un mouve- ment de lacet de -33 , -22 , soit une déviation d'envi- ron 550 par rapport à son orientation désirée, avant d'atteindre des orientations d'équilibre (accélération du mouvement de lacet de zéro). Les mouvements de lacet des deux types de turbines sont stabilisés à ces orienta- tions d'axe de lacet décalées en raison d'un équilibrage du moment de poussée résultant des forces aérodynamiques exercées sur les pales. Comme le montre la figure 10, le rapport de poussée et le rapport de puissance sont tous deux optima- lisés en maintenant l'orientation de la turbine pratique- ment directement dans le vent. Le rapport de puissance est une mesure de la puissance de sortie de la turbine divisée par la puissance disponible du courant de vent intercepté par cette turbine, tandis que le rapport de poussée est une mesure de la poussée exercée sur les pales de la turbine, divisée par la poussée nette dispo- nible engendrée par la colonne de vent interceptée par les pales de la turbine. En conséquence, comme le mon- tre la figure 10, tout décalage important par rapport à l'orientation désirée sous un angle de lacet de O' altérera sérieusement la capacité de production d'éner- gie de la turbine. Afin de remédier aux déficiences que présente la stabilisation du mouvement de lacet associée aux turbines éoliennes de la technique antérieure dans les- quelles l'axe de rotation du moyeu et l'axe de lacet s'intersectent, dans la turbine éolienne de la présente invention, l'axe de lacet est décalé latéralement vis-à- vis de l'axe de rotation du moyeu et ce, d'une distance calculée de façon à placer l'axe de lacet en alignement avec le vecteur de poussée déplacé angulairement résul- tant d'une précession éventuelle du moyeu et des pales autour de l'axe d'oscillation suite à une flexion ou à un mouvement oscillant des pales. C'est ainsi que, com- me le montre la figure 4, la poussée décalée nette agis- sant sur les pales est représentée par un vecteur de poussée agissant via l'axe de lacet. Dès lors, le vec- teur de poussée dévié ne donne pas lieu à un moment de déséquilibre appliqué à la turbine, mais il agit plutôt via cet axe, si bien qu'il ne peut imprimer, à la turbi- ne, un mouvement de lacet supplémentaire faisant dévier cette dernière de son orientation désirée. En conséquen- ce, la turbine restera opérationnelle dans cette orienta- tation légèrement décalée due à la précession, l'amplitu- de de ce décalage (un ou deux degrés) ne donnant lieu qu'à une altération minimum de la capacité de production d'énergie de la turbine. En conséquence, non seulement la turbine éolien- ne de la présente invention reste essentiellement stable en ce qui concerne son mouvement de lacet, mais cette 24M2673 stabilisation a lieu de manière entièrement passive sans nécessiter des capteurs de direction du vent et des élé- ments compliqués et coûteux pour localiser l'axe de lacet de la turbine et maintenir cet axe dans une posi- tion désirée. Le degré de décalage entre l'axe de lacet et l'axe de rotation du moyeu dépendra évidemment de la géométrie choisie pour la conception de la.turbine, ainsi que des conditions (vents dominants) dans lesquelles cette dernière doit fonctionner. Avec ces paramètres, on peut calculer le déséquilibre survenant dans le mouve- ment de lacet suite au imouvement oscillant ou au batte- ment des pales, l'axe de lacet étant alors décalé suffi- samment pour compeiser ce déséquilibre. Bien que la turbiné éolienne de la présente invention ait été décrite ense référant à des turbines comportant deux pales oscillantes, on comprendra que la présente invention peut être adoptée avec des turbines comportant- n'importe quel nombre de pales articulées ou non. Lorsque ltinvention est appliquée à des turbines à pales non articulées, l'axe de lacet sera décalé pour compenser non seulement le vecteur de pousséedécalé, mais également les moments de flexion des pales dont il a été fait mention ci-dessus et qui provoquent un désé- quilibrage du mouvement de lacet. Lorsqu'on utilise plus de deux pales dans une turbine éolienne à pales oscillantes, ces pales seront assemblées au moyeu par un système de paliers de suspension à la cardan plutôt que par une seule articulation. De plus, le système de la présente invention peut être adopté avec des turbines comportant des pales à pas variable ou à pas fixe. En conséquence, bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à des formes de réalisation dé- taillées, on comprendra que diverses modifications et omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son cadre. REVENDICATIONS 1. Turbine éolienne comprenant plusieurs pales à surface portante montées sur un moyeu pouvant tourner autour d'un axe, ce moyeu pouvant pivoter autour d'un axe de lacet, caractérisée en ce que cet axe de lacet est décalé latéralement par rapport à l'axe de rotation du moyeu afin de stabiliser le mouvement de lacet du moyeu contre l'influence des gradients verticaux de vi- tesse du vent agissant sur les pales. 2. Turbine éolienne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les pales sont montées sur le moyeu de façon à pouvoir pivoter sur un axe générale- ment perpendiculaire à l'axe de rotation de ce moyeu et aux axes longitudinaux des pales. 3. Turbine éolienne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'axe de rotation du moyeu et une ligne reliant cet axe à l'axe de lacet s'intersectent à un angle pratiquement égal à celui sous lequel un vecteur résultant de la poussée exercée sur les pales dévie de l'axe de rotation du moyeu suite au gradient de vitesse du vent précité. 4. Turbine éolienne suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est conçue pour fonctionner avec le moyeu situé sous le vent par rapport à l'axe de lacet,. 5. Turbine éolienne suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle précité est d'environ 10. b. Turbine éolienne comprenant: un moyeu pouvant tourner autour d'un axe, plusieurs pales à surface portante montées sur ce moyeu, ces pales réagissant aux gradients verticaux de vitesse du vent qui leur sont appliqués, en effectuant un mouvement périodique avec et contre le vent, ce mouvement périodique provoquant une précession des pales avec, pour résultat, une déviation angulaire, par rapport à l'axe de rotation du moyeu, de la résultante vectoriel- le de la poussée du vent agissant sur les pales, 248'2673 caractérisée en ce qu'on prévoit un décalage latéral de l'axe de lacet par rapport à l'axe de rotation du moyeu afin de minimiser le déséquilibre du mouvement de lacet dû à un moment par ailleurs déséquilibré ré- b sultant du décalage entre la résultante de poussée et l'axe de lacet. 7. Turbine éolienne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le mouvement périodique des pa- les dans et en dehors de la direction du vent comprend un pivotement cyclique de ces pales autour d'un axe passant par le moyeu et orienté généralement dans le sens transversal à la fois par rapport à l'axe de rota- tion du moyeu et aux axes longitudinaux des pales. 8. Turbine éolienne suivant la revendication 7, caractérisée en ce que l'axe de lacet est généralement colinéaire avec la résultante vectorielle de poussée. - 9. Turbine éolienne suivant la revendication 7, caractérisée en ce que l'axe de rotation du moyeu et une ligne reliant cet axe à l'axe de lacet sont décalés angulairement d'une distance généralement égale à la dé- viation angulaire, par rapport à la direction du vent, de la poussée nette du vent agissant sur les pales. 10. Turbine éolienne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le mouvement périodique des pales dans et en dehors de la direction du vent comprend une flexion cyclique de ces pales due à une élasticité inhé- rente de ces dernières. Il. Turbine éolienne suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le décalage angulaire est à peu près égal à 10. PAR PROCURATION de: UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION LE MANDATAIRE: R. BAUDIN