Brevet FR2491155A1 — publié le 19820402

La présente invention se rapporte aux éoliennes à axe horizontal. L'énergie "récupérable" par une éolienne classique est de l'ordre de 20% de l'énergie totale susceptible d'être fournie par le mouvement de l'air. Ceci s'exprime par l'équation suivante donnant la puissance en watts de l'éolienne : P = 0,2 D2 V3 où D est le diamètre en mètres de l'hélice de l'éolienne et V la vitesse du vent en mètres par seconde. Cette formule montre que pour produire 5 KW avec un vent de 10 m/s, il faut disposer d'une hélice d'un diamètre de 5 mètres. Le but de l'invention est d'obtenir, à puissance égale, une réduction importante du diamètre de l'hélice et, par voie de conséquence, de simplifier la fabrication de l'éolienne et d'en diminuer le coût, tout en rendant son implantation plus facile. A cet effet l'invention a pour objet une éolienne comportant un rotor constitué par une hélice, analogue à une hélice d'avion, solidaire d'un arbre horizontal tourillonnant dans un châssis, caractérisée en ce que sur le châssis est fixée autour de l'hélice un stator comportant une virole concentrique à l'arbre, sur la face externe de laquelle sont fixées des aubes radiales uniformément espacées ayant une orientation telle que, lorsque l'hélice est mise en rotation par le souffle du vent, elles créent une dépression à l'aval de l'hélice et qu'elles impriment aux filets d'air situés autour de l'hélice un mouvement de rotation, ou vortex, dont l'axe est approximativement celui de l'arbre. La déviation des filets d'air et leur mise en vitesse circonférentielle par l'effet des aubes apportent un gain de puissance, encore accru par une conformation suivant un profil divergent de la virole, qui contribue à dévier le flux d'air et à engendrer une dépression à l'aval. I1 est souhaitable, pour éviter des tourbillons parasites, que dans les vortex concentriques créés respectivement par l'hélice elle-même et par l'aubage péripherique du stator, la rotation des filets d'air ait lieu dans le même sens. L'espacement des aubes, à leur naissance sur la virole, est avantageusement du même ordre de grandeur que la longueur de la corde de l'arc correspondant formé par chaque aube sur la virole divergente, entre les bords extrêmes de cette dernière. Les aubes peuvent avoir, soit là forme d'un segment de cylindre, soit, de préférence, la forme d'un segment de tronc de cône, ce qui permet de maintenir le même rapport espacement-corde sur toute la dimension radiale de l'aube. Cette dimension radiale est, de préférence, sensiblement égale au rayon du bord extérieur de la virole. De façon classique le châssis de l'éolienne est auto-orientable en ce sens qu'il est monté rotatif autour d'un axe vertical sur un support rigide, qui est par exemple ancré dans une fondation, de sorte que le rotor peut pivoter à la manière d'une girouette en se plaçant face au vent. Du fait que suivant l'invention une forte dépression s'établit à l'aval du rotor, la présence d'un empennage de type usuel serait quasi inopérante. En conséquence une caractéristique complémentaire de l'invention consiste en ce que le rotor est déporté horizontalement par rapport à l'axe vertical de pivotement, de sorte qu'il se trouve nettement en aval de son support. Compte tenu du porte-à-faux résultant de cette disposition, des moyens de contreventement sont prévus sur le châssis rotatif pour obtenir la rigidité souhaitable sous la poussée du vent. Pour éviter que l'hélice atteigne un régime de rotation excessif sous l'effet d'un vent très violent, des volets mobiles formant diaphragme, tarés pour prendre une position réduisant la surface d'attaque de l'air pour une vitesse de vent déterminée, peuvent être disposés immédiatement à l'amont de l'hélice. Divers matériaux peuvent être utilisés pour l'exé- cution des aubes et de la virole divergente, par exemple un métal ou un tissu de verre, ou des fibres de verre, aggloméré par une résine. L'éolienne suivant l'invention se prête particulièrement à une utilisation de caractère domestique pour la production d'énergie électrique en vue du chauffage d'une maison. Dans cette application l'hélice, dont le pas est fixe ou variable, entraine en rotation une génératrice par l'intermédiaire d'un train d'engrenages multiplicateur, dont la construction pourra être simplifiée du fait que la réduction de diamètre de l'hélice, rendue possible par la présence du stator,va de pair avec un accroissement de sa vitesse de rotation, a vitesse de vent égale. L'invention sera explicitée au cours de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, dans lequel - la fig. 1 est une vue en perspective schématique d'une éolienne suivant l'invention; - la fig. 2 est une vue en élévation de l'hélice et du stator qui l'entoure; - la fig. 3 est une vue en perspective, à plus grande échelle, d'une partie du stator; - la fig. 4 est une vue développée à plat du stator montrant le profil d'une aube; - la fig. 5 est une vue schématique illustrant la formation de deux vortex par le rotor et le stator, respectivement; - la fig. 6 représente schématiquement des volets mobiles tarés, situés à l'amont du rotor; - la fig. 7 est une vue analogue à la figure 3 représentant une variante dont les aubes sont des segments de cylindre; - la fig. 8 est une vue analogue à la figure 4 montrant une aube à fentes. L'éolienne représentée aux figures 1 et 2 comporte un rotor 1, constitué par une hélice à trois pales, solidaire d'un arbre horizontal 2 tourillonnant dans un tube de portée 3 d'un châssis orientable 4, qui comporte en position adjacente à l'extrémité du tube de portée 3 opposée à l'hélice 1 un tube vertical 6 dont l'extrémité inférieure 7 est guSQée en rotation, par l'intermédiaire de roulements à aiguilles 8 et d'une butée à billes 9, dans une douille 11 d'un support rigide 12,comprenant des jambes de force 13, ancré dans un massif de fondation non représenté. La rigidité à l'égard des efforts dus au vent et au porte-à-faux résultant du déport horizontal relativement important de l'hélice 1 par rapport au tube vertical rotatif 6, est obtenue au moyen de deux voiles horizontaux triangulaires 14 fixés au tube de portée 3, symétriquement de part et d'autre de ce dernier, et par un voile vertical rectangulaire 16 dont deux côtés adjacents sont réunis, par exemple par soudage, respectivement au tube horizontal de portée 3 et au tube vertical rotatif 6. Suivant llinvention, le rotor 1 est entouré par un stator 17 qui comporte une virole 18, concentrique à l'arbre 2, de profil divergent (fig. 5), fixée par boulonnage en 19 et 21 aux voiles horizontaux 14 et en 22 au voile vertical 16 du châssis 4, sur la face externe de laquelle sont fixées ou formées des aubes radiales identiques 23 uniformément espacées circonférentielle ment et qui sont en outre reliées les unes aux autres par une couronne 24, fixée sur l'extrémité opposée à la virole 18 de chacune des aubes 23 et reliée par au moins un hauban 26 au sommet 27 du tube vertical rotatif 6. Comme le montre la figure 2, la dimension radiale L des aubes 23 est à peu près égale au rayon R du bord externe 18a de la virole 18. Les aubes 23 des figures 1 à 5 sont des segments délimités axialement par deux génératrices 28,29 d'un tronc de cône, de sorte que si, comme il est souhaitable, le rapport entre l'espacement E des aubes 23 à leur naissance sur la virole 18 et la longueur C de la corde de l'arc correspondant formé sur la virole entre les bords extrêmes 18a,18b de cette dernière est approximativement égal à l'unité, ce rapport est à peu près maintenu sur toute la dimension radiale des aubes (E1/C1#E2/C2E/C#1). L'arc mesuré autour de l'axe de révolution du tronc de cne,qui définit les droites 28,29 est un peu inférieur à 900. D'après la fig. 4 les aubes 23 sont pleines et profilées comme des ailes d'avion et la corde C est inclinée par rapport à l'axe XX de l'hélice d'un angle oc qui, compris entre 30 et 600, est sur la fig. 4 égal à 450. Les figures 3 et 5 font apparaitre la déviation qui est imprimée aux filets d'air frappant le stator 17 de l'éolienne sous l'effet de la virole divergente 18 et de l'aubage périphérique 23, et dont le résultat est la formation d'un vortex Vs concentrique au vortex Vr, créé par le rotor 1, et de préférence de même sens. Pour réduire la surface de l'hélice qui est exposée à l'action du vent lorsque ce dernier est très violent et réduire ainsi a vitesse de rotation, il est possible, comme le montre la figure 6, de monter sur une ossature 31 disposée immédiatement en amont de l'hélice 1 des volets 32 qui sont chacun articulés autour d'un axe distinct 33 et sollicités dans une position légèrement in clinée, par un ressort de traction 36 taré de telle sorte que chaque volet tend à se soulever en pivotant autour de son axe 33, à l'encontre du ressort, lorsque le vent atteint une vitesse suffisamment élevée, ce qui occulte partiellement l'entrée d'air de l'éolienne. Dès que le vent faiblit les ressorts 36 ramènent les volets dans leur position initiale d'ouverture. Des butées 34 définissent la position extrême de fermeture. Le tarage des ressorts 36 peut varier d'un ressort à L'autre de telle manière que la fermeture des volets respectifs se produise pour des vitesses de vent diffé- rentes, par exemple 15, 25 et 35 m/s. A la figure 1 a été représenté symboliquement en 20 un ensemble comprenant un train d'engrenages multiplicateur entraîné à partir de l'arbre 2 et une gen6- oratrice de courant electrique. Dans l'exemple de la figure 7 les aubes 123 sont constituées par des segments de cylindre, à la place des segments de tronc de cône prévus aux autres figures. La figure 8 montre qu'il est possible de remplacer les aubes pleines 23 ou 123 par des aubes 223 à fentes 38, qui ont l'avantage d'éviter le décollement des filets d'air et la creation de tourbillons parasites. La virole divergente 18 et les aubes 23 ou 123 peuvent être fabriquées en métal ou en résine armée de tissu de verre. Ce dernier matériau, facilement obtenu sur des moules simples, paraît préférable au moins pour la réalisation des aubes, qui ont un profil courbe et une épaisseur variable. Si la dimension du rotor est relativement grande, on peut envisager la fabrication d'une aube et d'un tronçon de virole divergente réalisés en un seul moulage. Si le rotor a des dimensions plus modestes, la moitié, voire la totalité de la virole divergente et de l'aubage peuvent être moulés en une seule pièce. - REVENDICATIONS 1 - Eolienne comportant un rotor constitué par une hélice, solidaire d'un arbre horizontal tourillonnant dans un châssis, caractérisée en ce que sur le châssis (4) est fixée autour de l'hélice (1) un stator (17) comportant une virole (18) concentrique a l'arbre (2), sur la face externe de laquelle sont fixées des aubes radiales (23, 123) uniformément espacées ayant une orientation telle que, lorsque l'hélice est mise en rotation par le souffle du vent, elles créent une dépression à l'aval de l'hélice et qu'elles impriment aux filets d'air situés autour de l'hélice un mouvement de rotation, ou vortex (Vs), dont l'axe est approximativement celui de l'arbre. 2 - Eolienne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la virole (18) a un profil divergent. 3 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'orientation des aubes (23) est telle que le stator (17) crée un vortex (V5) concen trique au vortex (V ) créé par le rotor et de même sens. r 4 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'espacement (E) des aubes (23), à leur naissance sur la virole (18), est du même ordre de grandeur que la longueur (C) de la corde de l'arc correspondant formé par chaque aube sur la virole, entre les bords extrêmes (18a, 18b) de cette dernière. 5 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aubes (123) sont constituées par des segments de cylindre. 6 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aubes (23) sont constituées par des segments de tronc de cône. 7 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la dimension radiale (L) des aubes (23, 123) est sensiblement égale au rayon (R) du bord extérieur (18a) de la virole (18). 8 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la corde de l'arc que forme chaque aube (23, 123) à sa naissance sur la virole (18) fait, avec l'axe longitudinal (XX), un angle (tO compris entre 30 et 600 environ. 9 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les aubes (23, 123) sont reliées entre elles par une couronne (24) fixée à l'extrémité libre de chacune des aubes. 10 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 9, dont le châssis est monté rotatif autour d'un axe vertical sur un support rigide, caractérisée en ce que le rotor (1) est déport-horizontalement par rapport à l'axe vertical de pivotement (6), de sorte qu'il se trouve nettement en aval de son support (12) 11 - Eolienne suivant la revendication 10, caractérisée en ce que des moyens de contreventement (14,16,26) sont prévus sur le châssis rotatif, entre le stator (17) et l'axe de pivotement (6). 12 - Eolienne suivant leune des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que, immédiatement à l'amont de l'hélice (1), est disposée une armature (31) sur laquelle sont articulés des volets (32) soumis à l'action de ressorts (36). 13 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les aubes (23, 123) et la virole (18) sont en fibres de verre agglomérées par une résine. 14 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que l'arbre (2) de l'hélice (1) entraîne en rotation une génératrièe de courant électrique (20) par l'intermédiaire d'un train d'engrenages multiplicateur. 15 - Eolienne suivant l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que les aubes (23, 123) sont constituées par des segments de surface de révolution qui sont délimités par deux génératrices rectilignes (28, 29) correspondant à un arc, mesuré autour de l'axe de révolution, dont l'amplitude est peu différente de 900 mais inférieure à cette valeur.