Brevet FR2507696A1 — publié le 19821217

La présente invention a trait à un perfectionnement av moteursà fluide du type possédant une pluralité de pales montées rotatives autour d'un axe de rotation sous l'action d'un fluide, notamment un fluide gazeux tel que l'air. En particulier, l'invention a trait à un perfectionnement aux éoliennes mais l'invention est également applicable à d'autres machines motrices à fluide gazeux ou éventuellement liquide. Le développement des éoliennes en tant que source d'énergie s'est heurté à un certain nombre de difficultés qui,jusqu'à présent, ntont pas pu être complètement surmontées. L'une de ces difficultés réside dans les variations considérables de la vitesse du vent, et donc de 1 'éner- gie disponible, la plage allant d'une valeur nulle à des valeurs très élevées en cas de ventsviolents.En particulier aw très faibles vitesses du vent, les éoliennes actuellement connues ne sont pas mises en mouvement de sorte qu'elles fournissent aucune énergie à ces faibles vitesses, ce qui est évidemment préjudiciable du fait que les vents se maintiennent à une vitesse faible ou très faible pendant une proportion de temps très importante. D'autre part, les éoliennes sont d'un prix de revient relativement important,ce qui, si l'on considère l'importance des périodes de vent faible ou très faible, les rend d'autant moins intéressantes. Enfin, en cas de vent violent les pales sont amenées à tourner à des vitesses extrêmement élevées ,ce qui provoque souvent leur rupture et par conséquent la destruction d'une partie importante de l'éolienne sans compter les risques importants d'accidents dus à la projection des pièces ainsi arrachées.Pour tenter d'éviter ces inconvénients, on est alors amene à surdimensionner les pales ou à prévoir de coûteux moyens d'immobilisation ou de protection en cas de vent violent La présente invention se propose de remédier à ces différents inconvénients et de perfectionner les machines motrices à fluide, notamment les éoliennes, de façon à abaisser leur prix de revient, à les rendre performantes même en cas d'énergie de fluide très faible et à éviter les risques d'accidents ou a' en limiter les conséquences. De plus, l'invention se propose de fournir de telles machines dans lesquelles une adaptation de la conformation de l'éolienne à la force du vent puisse se faire en cas de besoin, augmentant ainsi le rendement aux diverses vitesses de rotation et minimisant les risques de destruction. L'invention a pour objet un perfectionnement aux machines motrices à fluide, notamment aux éoliennes, comprenant, sur une structure, un rotor muni d'un pluralité de pales, ledit rotor étant relié ou reliable à une machine consommatrice telle que par exemple une pompe ou une génératrice de courant électrique, caractérisé en ce que les pales sont constituées d'enveloppes souples ou déformables gonflées à l'aide d'un fluide à une pression supérieure à la pression du fluide environnant. Le fluide utilisé pour gonfler les pales est avantageusement un fluide léger tel qu'un gaz. Ainsi dans le cas d'une éolienne, le fluide peut être avantageusement de l'hélium mais d'autres fluides gazeux peuvent être utilisés tels que l'air, l'azote ou autres. L'enveloppe d'une pale d'une machine selon l'invention est réalisée de préférenceen une matière plastique relativement souple. Cette enveloppe présente, à l'état gonflé , une forme de pale dont la longueur, la largeur et l'épaisseur sont déterminées en fonction des caractéristiques d'écoulement du fluide moteur, par exemple le vent. Le cas échéant, des éléments de rigidification, soit venant d'un seul tenant avec l'enveloppe, soit rapportés, peuvent être prévus. L'épaisseur de l'enveloppe, sa souplesse, les moyens de rigidification et la valeur de la surpression interne peuvent être avantageusement choisis soit pour former des pales relativement indéformables, par exemple en utilisant unesurpression importante, soit au contraire pour former des pales susceptibles de se déformer lorsque l'effort auxquelles elles sont soumises augmente.Ainsi on peut en particulier prévoir des pales d'éoliennes qui, lorsque le vent est faible ou nul,formert un angle important avec la direction du vent et qui, lorsque le vent devient plus important, tendent progressivement à s'effacer pour diminuer cet angle de façon à diminuer progressivement la surface apparente de manière à conserver un bon rendement à différentes vitesses ou forces dru vent tout en réduisant la sollicitation à laquelle elles sont soumises en cas de vent violent. Dans une autre variante, des moyens peuvent être prévus, logés dans le rotor ou reliés à celui-ci, pour modifier la valeur de la surpression interne en fonction soit de la vitesse du vent déterminQ grâce à un capteur convenable, soit de la vitesse de rotation déterminée à laide d'un capteur de vitesse de rotation. Ces moyens peuvent par exemple comporter notamment un pressostat.va- riable. Le rotor du dispositif selon l'invention peut comporter soit un rotor central du genre à moyeu à d'où s'étendent les pales, soit un rotor périphérique tubulaire auquel sont reliées les extrémités périphériques des pales, soit les deux, les pales étant alors fixées en leurs deux extrémités centrales et périphérique En variante, on peut prévoir un rotor central avec, à la périphérie des pales, de simples moyens permettant de les relier entre elles, par exemple des câbles. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant auxdessins annexéSdans lesquels La figure. 1 représente une vue schématique d'un rotor de machine dans une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 représente une vue de face de ce rotor. La figure 3 représente une vue schématique à une échelle agrandie d'une pale de ce rotor. La figure 4 représente une vue de sessus de cette pale. de l'invention. La figure 6 représente une vue de face du rotor de la figure 5. La figure 5 représente une vue schématique réalisation partielle d'un rotor sous une autre forme de/ de l'invention. La figure 7 représente une vue schématique partielle en perspective d'un rotor selon une autre forme de réalisation de l'invention. La figure 8 représente une vue d'une pale selon une autre forme de réalisation de l'invention. On se réfère tout d'abord aux figures I à 4. L'éolienne représentée comporte un rotor représenté de façon schématique et désigné par 1. Ce rotor, du type à moyeu,présente une extrémité arrondie ou en ogive 2 du côté du vent et comporte tous les moyens usuels pour être monté de façon rotative sur une structure d'éolienne et pour pouvoir entrainer une génératrice électrique. Ce rotor comporte trois pales, 3 ayant une forme générale rectangulaire allongée. En se référant plus particulièrement aux figures 3 et 4, on voit qu'unie pale 3 est constituée d'une enveloppe de matière plastique relativement souple,obtenue à partir d'une feuille de matière plastique convenablement repliée sur elle-même au niveau du bord d'attaque antérieur 4 de la pale. Les trois autres bords, à savoir le bord supérieur 5, le bord postérieur 6- ou bord de fuite et le bord inférieur 7, sont soudés sur une ligne continue de façon à déterminer une enveloppe présentant un volume intérieur étanche 8 susceptible de communiquer avec l'extérieur par une tubulure convenablement rapportée 9. Le bord inférieur 7,obtenu par superposition des bords repliés de la feuille, présente une largeur nettement supérieure à celle des bords 5 et 6 et poursuepar exemple d'une pluralité d'orifices 10 permettant l'accrochage de la paie sur le rotor 1. De façon avantageuse, l'extrémité inférieure de la pale pénètre dans une fente convenable du rotor 1 jusqu'à un niveau représenté en trait interrompu 11 sur la figure 3. La pale peut être soit gonflée à l'avance à l'aide par exemple d'hélium, après quoi le passage 9 est scellé ou refermé grâce à un bouchon ou une valve convenable. La surpression est fonction de l'effet recherché et peut par exemple s'étager entre 0,2 et 1,5 atmosphère. Lorsque la pale 3 est gonflée, elle prend la configuration la mieux visible sur la figure 4qui montre qu'elle possède à ce moment-là une certaine épaisseur. En outre, la surpression régnant à l'intérieur donne à la pale une forme déterminée relativement rigide. Lorsque la pale est montée sur le rotor 1, sa partie inférieure pénètre dans la fente du rotor, les bords de la fente venant au contact de la pale au niveau de la ligne Il de sorte qu!une partie gonflée de pale se trouve située à l'intérieur du rotor. Il en résulte que la pale conserve sa position radiale dans le rotor aussi bien au repos que lorsque la pale est soumise à la poussée du vent. La matière plastique utilisée peut être toute matière plastique convenable mais,en variante, la pale peut être également réalisée en un matériau élastique tel que du caoutchouc ou un élastomère. L'épaisseur -du matériau formant la pale peut être variable en fonction des dimensions de la pale, des efforts auxquels elle va être soumise de la part du vent, de la surpression interne désirée et de la déformabilité plus ou moins grande de la pale à l'état gonflé que l'on recherche. L'épaisseur peut éventuellement varier suivant différentes zones de pales. A titre d'exemple de matière plastique uti liséon peut citer le Nylon et les polyesters mais d'autres matières plastiques usuelles sont également utilisables. L'épaisseur de la matière plastique peut, dans la pratique, soit être très fine, par exemple dans le cas d'une pale réalisée pratiquement sous forme d'une bau quelques druche, soit aller jusqutà/millimetres ou davantages. On conçoit que l'on a ainsi réalisé un rotor qui présente une très grande légèreté et une inertie particulièrement faible. Ce rotor pourra donc être entraîné par le vent même lorsque la vitesse du vent est extrêmement faible et par conséquent être utilisé pour produire une énergie avec une puissance délivrée faible mais pendant de longue périodes de temps. lui Par ailleurs, la légèreté de la pale/permet de résister convenablement à la force centrifuge en cas de rotation à très grande vitesse par vent très fort. De plus, les vibrations habituellement présentes lorsque la pale tourne à une grande vitesse sont amorties ou totalement absentes dans le cas d'un rotor selon l'invention. Si en outre, la force du vent est telle que la pale puisse venir à se déchirer, sa projection ne créera pratiquement aucun dommage en raison de sa nature. On se réfère maintenant aux figures 5 et 6. Dans cette forme de réalisation,on a représenté un rotor 12 muni de pales 13 en forme de pétale. On voit sur la figure 5 que ces pales occupent la totalité de la surface offerte au vent. Une telle éolienne est particulièrement adaptée auKvents à faible et très faible vitesse pour lesguelselle présente un rendement élevé. Les pales 13 peuvent être réalisées à la façon des pales 3. En variante, les pales 13, de même que les pales 3 bu les autres pales selon l'invention peuvent être réalisées non plus par repli , ou superposition de nappes et de soudures périphériques, mais au contraire d'un seul tenant par exemple par injection soufflage ou extrusion et soufflage, le soufflage s'effectuant à la température de déformation de la matière dans un moule dont l'empreinte présente la forme voulue de pale. Un tel procédé permet une fabrication en très grande quantité à un prix de revient particulièrement abaissé des pales. L'invention peut,bien entendu,faire l'objet d'un grand nombre de variantes. Ainsi sur la figure 7,on a représenté partiellement une partie de rotor. Celle-ci comporte deux cerceaux métalliques de petit diamètre 14 coaxiaux, disposes l'un derrière l'autre, et deux cerceaux de grand diamètre 15,concentriques auxcerceauxl4. Les cerceaux 14 peuvent être reliés aux cerceaux 15 par des barres radiales de même que les cerceaux 14 et 15 peuvent être reliés entre eux par des barres à la manière d'une cage d'écureuil. Dans le rotor ainsi construit, qui présente une particulière légèreté , on peut monter des pales constituées d'enveloppes en forme de coussins gonflés, ces pales pouvant avoir une forme hélicoidale ou autre convenable en disposant judicieusement les pointus d'attache 18, 19 de la pale sur les cerceaux respectifs. Bien entendu, des pales pourraient être fixées sur d'autres structures de rotor de cette façon. Ainsi au lieu d'utiliser des cerceaux 15, on pourrait utiliser une bague cylindrique périphérique faisant le même office. De même les cerceaux de pétit diamètre 14 peuvent être remplacés par un autre type de moyeu de rotor. En se référant à la figure 8, on voit une enveloppe formant pale 20, ayant une forme générale rectangulaire, convenablement gonflée. Cette enveloppe est maintenue par un prolongement latéral antérieur, par un profilé 21 formant le bord d'attaque, ce profilé présentant par exemple du côté arrière une ouverture en forme de fourche dans laquelle s'adapte le bord antérieur de la pale 20 ne qui, de ce fait,/peut pratiquement pas se déplacer par rapport au profilé 21. Le profilé 21 est fixé sur un rotor par son extrémité dépassante 22. On peut également prévoir, pour augmenter la rigidité d'une pale, au lieu d'un profilé extérieur, des profilés intérieurs ou des lames de rigidification disposées de toute façon convenable à l'extérieur, à l'intérieur ou dans la matière elle-même de l'enveloppe. Dans les éoliennes destinées à tourner à grande vitesse, dans lesquelles le fluide gazeux contenu à l'intérieur de la pale et assurant la surpression peut être chassé par effet centrifuge,on peut éventuelleme-nt prévoir de réaliser les pales sous forme de plusieurs enveloppes superposées ou d'une enveloppe présentant un certain nombre de compartiments internes indépendants mis chacun sous pression. De même, dans ces cas, on peut prévoir une rigidification supérieure vers la partie centripète de la pale. Bien que l'invention ait été décrite à propos de formes due réalisation particulières il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et que l'on peut lui apporter diverses modifications de forme ou de- matériau sans pour cela s'éloigner ni de son cadre,ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Perfectionnement aux machines motrices à fluide, notamment aux éoliennes, comprenant, sur une structure, un rotor muni d'une pluralité de pales, ledit rotor étant relié ou reliable à une machine consommatrice, caractérisé en ce que les pales (3, 13, 16, 20) sont constitués d'enveloppes souples ou déformables gon flées à la' l'aide d'un fluide à une pression supérieure à la pression du fluide moteur. 2. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé en cd que la pale est gonflée par un gaz, notamment l'hélium. 3. Perfectionnement selon l'une des revendications 1 et 2n caractérisé en ce que la pale comprend une enveloppe réalisée en une matière plastique relativement souple. 4. Perfectionnement selon l'une des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que la pale comprend une enveloppe réalisée en un matériau élastique. 5. Perfectionnement selon l'une des revendications 3 et 4,caractérisé en ce que l'enveloppe est refermée, sur sa périphérie, par une ligne de soudage sur son bord (5, 6, 7). 6. Perfectionnement selon lune des reve cations 3 et 4, caractérisé en ce que l'enveloppe est obtenue par injection ou extrusion soufflage. 7. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que la pale (20) comporte des éléments de rigidification (21) 8. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, à l'état gonflé, la pale est susceptivle de se déformer avec l'accroissement de la vitesse du fluide moteur pour diminuer l'angle qu'elle fait avec la direction de ce fluide. 9. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor (1, 12) comprend des moyens pour modifier la surpression de la pale. 10. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pale est réalisée sous forme de plusieurs enveloppes ou d'une enveloppe présentant plusieurs compartiments internes indépendants pour s'opposer à la centrifugation du fluide sous pression.