Brevet FR2524941A1 — publié le 19831014

La présente invention se rapporte à un rotor uti- lisable comme moteur à vent capable d'engendrer de l'éner- gie ou comme propulseur mû par une source d'énergie et adapté à la propulsion de fusées et d'avions Compte tenu du prix élevé des combustibles fos- âiles, on a récemment beaucoup cherché à développer des moteurs à vent pour la production d'énergie et de nombreu- ses conceptions de turbines d'entraînement existent main- tenant L'utilisation de l'énergie du vent n'est pas nou- velle et, en fait, les moulins à vent étaient utilisés de- puis des siècles pour moudre le grain ou poeur élever l'eau, leurs parties motrices étant généralement constituées de bras radiaux sur lesquels étaient fixées des toiles ou une structure à barreaux de bois Ce type de moteur à vent a été remplacé, depuis un siècle environ par des turbines multipales qui comprennent une pluralité de pales radiales inclinées, fixées entre un anneau extérieur et un anneau intérieur, ce dernier étant monté sur un arbre horizontal ou légèrement incliné La turbine multipales a récemment été encore perfectionnée, de façon à obtenir un rotor dans lequel tous les éléments travaillent sous contraiutte, ce mode de réalisation étant connu sous le nom de TURBINE CHALK Dans ce dispositif, des pales creuses sont placées radialement entre deux anneaux concentriques, des u h I)les de tension étant tendus à l'intérieur des pales et reliant sous tension les deux anneaux Malgré les autres avantages, les turbines multipales présentent un rendement aérodyna- mique relativement faible et sont donc utilisées seulement pour des puissances relativement petites. La roue d'entraînement du type moulin à vent a donné naissance d'autre part à un rotor comportant deux à six pales de forme aérodynamique, sensiblement creuses, qui sont construites avec des diamètres importants et une grande capacité, à un rendement élevé, et qui constituent un des points principaux de l'évolution actuelle. L'inconvénient pri Jîcipal des moteurs à vent existants réside dans leur construction rigide qui les rend sensibles au risque de détérioration aux grandes vitesses de vent et qui nécessite des moyens spéciaux pour les faire pivoter en dehors de la direction du vent pendant les tempêtes et fortes rafales, afin d'avi-s ter la rupture de l'installation Ces précautions néces- sitent des moyens pour orienter l'arbre de turbine per- pendiculairement à la direction du vent, dès que celui-ci atteint une vitesse dangereuse, ou des moyens pour modi- fier l'inclinaison de chaque pale individuelle n fonc- Fion de la vitesse du vent Un autre inconvéDient de la construction rigide réside dans l'augmentation du poids avec les diamètres croissants du rotor, ce qui limite d' une part la capacité du moteur à vent et nécessite d'autre part de très robustes structures pour les supports, ces deux effets ayant pour résultat un coût spécifig ue par kilowatt produit plus élevé. La présente invention a donc pour objet un ro- tor ou impulseur de faible poids qui se prete à la cons- truction en très grand diamètre, L 'invention a enzore pour,bbjet une roue de turbine élastique et flexible c-. évite tout risque de détérioration aux grandes vitesses de vent Elle vise égaiement une telle roue de turbine comportant des moyens de freinage inhérents et autonomes, de façon à limiter sa vitesse de rotation & la limite de sécurité de la fatigue du mratriel. L'invention a aussi potnr objet, résultant en fait des demandes précédentes de permettre l'installation de telles turbines légères à de grandes altitudes, afin d'utiliser les vitesses de vent plus grandes qui existent dans ces zones. Une turbine pour 4 oteur à vent, ou éolienne, sui- vant l'invention, comprend un moyeu rigide fixé rigidement à un arbre supporté en rotation, une jante extérieure rigi- de concentrique au moyeu et à l'arbre, à une certaine dis- tance de ces derniers, et des pales radiales en matière flexible placées en tension dans l'espace annulaire entre le moyeu et la jante et fixées par leurs extrémités inté- rieures à l'extérieur du moyeu et par leurs extrémités ex- -térieures à l'intérieur de la jante, de façon à ce que l' angle d'inclinaison de chaque pale diminue de son extrêmi- té intérieure vers son extrémité extérieure. La jante extérieure peut être réalisée en matière rigide pleine mais elle est de préférence en forme de tore creux,de section transversale circulaire, fabriqué en ma- tière flexible non perméable, qui est rempli d'un gaz à une pression suffisante pour maintenir la forme du tore sous les contraintes exercées par le vent ou d'autres forces. Une autre façon de maintenir la forme de la jante consiste à remplir le tore avec une matière poreuse légère, par exemple du polyuréthane Il est entendu que la section transversale du tore, dans ce cas, n'est pas nécessairement circulaire mais peut être elliptique ou avec un profil aé- rodynamique. La roue de turbine est montée directement sur l' arbre d'un générateur électrique, constituant ainsi un grou- pe compadt, ou bien elle est accouplée à un générateur sépa- ré ou à une autre machine par des moyens de transmission. Le moteur à vent est en général monté sur un pivot vertical au sommet d'une haute structure, des moyens étant prévus pour le faire pivoter face à la direction du vent, de façon connue. L'énergie est transmise au sol par des câbles élec- triques, dans le cas du groupe générateur compact, ou par une transmission mécanique ou hydraulique de type connu, prévue entre l'arbre de rotor et le générateur installé à la base de la structure. La conception de la turbine permet de la placer à une altitude élevée, jusqu'à 12 000 m, o de grandes vites- ses de vent règnent la plupart du -temps Cela peut être effectué par augmentation du volume du tore à une valeur prédéterminée, c'est-à-dire augmentation de sa section transversale, et remplissage du tore avec un gaz léger, tel que l'hélium ou l'hydrogène, ce qui rend le dispositif suffisamment léger pour être porté par un ballon Le dis- positif peut également être auto-flottant, c'est-à-dire qu'on peut réaliser une unité compacte, composée d'un gé- nérateur, d'une turbine et d'une structure support, d'une flottabilité suffisante pour flotter dans l'air et être ancrée au sol par des câbles. Les pales peuvent être sous la forme de voiles, constituées d'une couche unique de toile à voile ou de toile en matière plastique, ou bien elles peuvent être creuses, constituées de deux couches, et avoir une section transversale aérodynamique Cette section peut être mainte- nue au moyen de cadres espacés, en matériau léger, ou au moyen de tubes en même matière, remplis de gaz et disposés radialement à l'intérieur de la section de la pale. Les extrémités des pales sont de préférence fi- xées au moyeu et à la jante par des cornières métalliques légères, cintrées conformément au profil requis Afin d'ob- tenir la tension radiale voulue, la longueur des pales est un peu plus courte que la distance finale entre le moyeu et la jante et les pales sont fixées aux cornières ci-dessus par des moyens de jonction connus, avant le gonflage du tore Le tore, sous la pleine pression, se dilate et étire ainsi les pales et les met en pré-tension. Le vent agissant sur la turbine fait tourner 1 ' ensemble de la turbine, y compris le tore Bien entendu, le tore présente une résistance à la rotation et, par con- séquent, le rendement total du moteur à vent est inférieur à celui d'une turbine usuelle ayant le même nombre de pales rigides et la même vitesse relative Toutefois, la légèreté et les détails de construction permettent de fabriquer la turbine suivant l'invention à un diamètre beaucoup plus grand que les moteurs à vent existants, sans risque de rupture Cela, ajouté au fait que le prix de la turbine conforme à l'invention est beaucoup plus faible que celui d'une turbine rigide, rend son utilisation intéressante pour la production d'électricité et on peut prévoir que le prix de l'énergie électrique sera très inférieur à celui qui résulte de la combustion de combustibles fos- siles. On a calculé qu'un moteur à vent auto-flottant, construit avec un diamètre de 150 m et place à une altitu- de de 12 000 m, peut engendrer jusqu'à 2,9 x O l kwh par an, aux vitesses de vent qui règnent à cette altitude. à la r PU avantage du tore rotatif réside dans sa résis- tance/aux vitesses de vent plus élevées, ce qui empéche le rotor d'atteindre des vitesses de rotation excessives. Du fait de la pression exercée sur les pales et le tore, ce dernier est déplacé vers l'arrière du moyeu, d'une dis- tance qui dépend de la vitesse du vent, ce qui étire et renforce les pales sans que le tore lui-même soit déformé par les efforts. Un autre avantage des pales flexibles réside en ce que le niveau de bruit engendré par la turbine suivant l'invention est beaucoup plus faible que le niveau de bruit des turbines à pales rigides, en particulier du fait que les bouts des pales sont enveloppés par le tore. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront aux hommes de l'art à la lecture de la des- cription de ses formes de réalisation, non limitatives, représentées sur les dessins annexés dans lesquels: Fig 1 est une vue en perspective et en coupe d'une turbine de moteur à vent, comprenant une Jante en forme de tore gonflable et quatre pales flexibles; Fig 2 est une coupe d'une turbine illustrant l' action de la force du vent sur la configuration de la tur- bine et la position des pales; Fig 3 est une vue en perspective d'un type de liaison entre une pale et une jante en forme de tore gon- flé, dans une turbine; Fig 4 représente un moyeu d'une turbine auquel des pales flexibles sont fixées de façon pivotante; Fig 5 est une vue en élévation d'une tour sur laquelle est monté un moteur à vent comprenant un généra- teur et une turbine reliés par un câble flexible de trans- mission de puissance; Fig 6 est une vue en élévation d'une tour sur laquelle est monté un groupe composé d'une turbine et d'un générateur, accouplés de façon usuelle; Fig 7 est une coupe à travers une coque gonfla- ble auto-flottante d'un moteur à vent composé d'une turbi- ne et d'un générateur; et Fig 8 est une vue schématique d'un moteur à vent porté par un ballon plus léger que l'air et ancré au sol par un câble de transmission électrique. On voit, sur les figures 1 et 2 qui représen- tent de façon schématique une turbine, que celle-ci com- prend une jante en forme de tore creux 1 de section t s- versale circulaire, fabriqué en matière imperméable fle- xible et rempli d'air ou d'un gaz plus léger que l'air, à une pression supérieure à l'ambiance atmosphérique, ce qui provoque le gonflement du tore en un corps semi-rigide de résistance suffisante pour résister aux efforts des pa- les qui agissent sur lui Quatre pales 2, en toile ou ma- tière plastique flexible, sont attachées le long de quatre lignes courbes équidistantes sur l'intérieur du tore, à une de leurs extrémités, tandis que leur autre extrémité est fixée, le long de lignes parallèles, à un moyeu 3 qui est accouplé coaxialement à un arbre 4 de moteur à vent. La turbine est disposée de manière à faire face à la direction du vent, par des moyens connus, et les pales flexibles se plient, comme représenté sur la figure 2, pro- portionnellement à la vitesse du vent agissant sur les pa- les dans la direction des flèches La jante ou tore 1 est déplacée de sa position initiale située dans le plan du moyeu, comme représenté en trait plein, à une position vers l'arrière du moyeu, comme représenté en pointillé Les pales, en plus d'être pliées vers l'arrière, adaptent éga- lement leur courbure aux efforts exercés par le vent, au- tant que leur tension le permet Comme déjà indiqué, le tore exerce une certaine force de freinage sur la rotation, du fait du frottement du corps tournant dans l'air, mais cela est un avantage aux vents forts puisque cela empêche la turbine d'atteindre une vitesse de rotation excessive. La figure 3 illustre un mode de fixation d'une pale 2 à la jante 1, en forme de tore, de la turbine La pale 2, dans le cas illustré, est creuse et présente un profil aérodynamique qui est maintenu en forme par une plu- ralité de cadres espacés (dont un seul est représenté) et une plaque d'extrémité 6 prévue près de la jante 1 Cette plaque 6 est reliée à un manchon 7 qui entoure la jante, quatre manchons étant nécessaires dans le cas de quatre pales Le manchon comporte des moyens qui permettent de le raco 6 urcir de façon à tendre les pales, sans déformer tou- tefois la jante par une traction centripète excessive. Un mode de jonction des pales à un moyeu est il- lustré par la figure 4, sur laquelle le moyeu est en forme d'un bulbe 30 à l'extrémité de l'arbre 4 Ce bulbe compor- te des encoches radiales 31, quatre encoches étant prévues pour la fixation de quatre pales et chaque encoche étant traversée par un axe 32 Les extrémités intérieures des pales 2 comportent des prolongements en forme de pattes perforées 33 qui sont montées sur les axes 32 et bloquées en position, tandis que leurs autres extrémités sont fixées à la jante, les pales étant tendues entre leurs points de fixation. La figure 4 montre comment les pales peuvent bas- culer autour des axes 32 jusqu'à ce qu'elles atteignent la position représentée en pointillé mais il est entendu que l'angle illustré est exagéré et n'est pas atteint pen- dant le fonctionnement réel. Les-figures 5 et 6 illustrent deux modes de mon- tage d'un moteur à vent, du type décrit ci-dessus, sur une grande tour 40 Le dispositif peut tourner autour d'un pivot vertical 41 qui permet à la turbine de faire face complètement à la direction du vent Le tore de la turbine 42 de la figure 5 est rempli d'un gaz léger, de sorte que la turbine flotte librement dans l'air, et la turbine est accouplée à un générateur 43 par un câble 44 de transmis- sion de couple En plus de sa rotation horizontale autour du pivot vertical 41, le générateur peut également bascu- ler dans la direction verticale autour d'un pivot horizon- tal 45 Cela permet à la turbine de se régler elle-même dans la direction du vent, à la fois dans la direction ho- rizontale et la direction verticale. La figure 6 illustre une disposition analogue, mais de type plus courant, dans laquelle un générateur 43 est accouplé coaxialement à une turbine 42 au moyen d'un arbre 44 ' Le groupe est orienté dans le vent par un gou- vernail 46 placé à l'extrémité arrière du groupe. La figure 7 illustre un procédé révolutionnaire d'installation d'un moteur à vent à haute altitude, en vue d'utiliser les grandes vitesses de vent qui règnent à haute altitude Le moteur à vent est monté dans une coque annulai- re creuse 50, réalisée de préférence en matière imperméa- ble, flexible et légère et remplie d'hélium ou d'hydrogène. La coque supporte toute la structure à haute altitude et, puisqu'elle est ancrée au sol par un câble 51 attaché à son extrémité amont, elle prend automatiquement sa position correcte dans la direction du vecteur du vent Le câble 51, qui est également utilisé pour transmettre l'électricité engendrée par le générateur, peut être remplacé par un'cà- ble de transmission de couple capable de transmettre les rotations de la turbine à un générateur installé au sol. Une disposition analogue, plus classique, est illustrée par la figure 8 dans laquelle un moteur à vent est porté à haute altitude par un ballon 61 auquel le groupe est suspendu par un câble 62 Le groupe lui-même est ancré au sol par un câble 51 capable de transmettre l'électricité engendrée. * 10 Les modes de réalisation du moteur à vent et du générateur d'électricité, décrits ci-dessus, sont seule- ment des exemples des diverses formes de réalisation ren- dues possibles par l'utilisation de la turbine flexible légère, dans différentes combinaisons. La turbine elle-même peut être modifiée dans le cadre de l'invention, par les hommes de l'art, par exemple avec les changements suivants Au lieu d'un tore creux, la jante peut être constituée d'un cerceau circulaire plat en métal léger Cette turbine doit bien entendu être fixée solidement sur une tour, par exemple de la façon représen- tée sur la figure 6, puisqu'elle est plus lourde que l'air, ou bien elle peut être utilisée dans l'agencement représen- té sur les figures 7 et 8 o la flottabilité de la jante n' a que peu d'influence. La jonction des pales au tore peut également ê- tre effectuée au moyende profilés métalliques courbes fi- xés au tore et/ou aux pales par des colles epoxy, ou de toute autre manière. Puisque les générateurs à grande vitesse sont plus petits et plus légers que les générateurs à faible vitesse et que les turbines de grand diamètre tournent bien entendu à faible vitesse, il est souvent nécessaire d'ins- taller un multiplicateur de vitesse entre la turbine et le générateur Cela est très important dans tous les cas o les poids d'un moteur à vent doit être supporté en alti- tude, soit par un ballon, t oit par une coque plus légère que l'air. Afin d'équilibrer le couple angulaire sur la tour ou une autre structure support, on peut prévoir, de façon connue, un agencement en tandem de deux turbines tournant en sens inverse. On peut également utiliser une turbine de concep- tion semblable comme propulseur et elle peut être utilisée pour des ventilateurs ou surpresseurs pour lesquels un ren- dement élevé n'est pas impératif, ou en association avec certains aéronefs. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1 Turbine utilisable dans un moteur à vent, qui comporte une telle turbine associée à un générateur d'élec- tricité, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyeu ri- gide ( 3) fixé à un arbre ( 4) supporté en rotation, une jante extérieure rigide ( 1) concentrique au moyeu et es- pacée de ce dernier, et des pales radiales ( 2) en matière flexible, tendues entre le moyeu et la jante et attachées au moyeu par leurs extrémités intérieures et à l'intérieur de la jante par leurs extrémités extérieures, l'angle d' inclinaison de chaque pale 2 diminuant de préférence de son extrémité intérieure vers son extrémité extérieure. 2 Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la jante extérieure ( 1) est constituée par un cerceau en matière légère et rigide. 3 Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la jante ( 1) est un tore creux en toile non per- méable, ce tore étant rempli avec un gaz à la pression adéquate pour maintenir la forme du corps. 4 Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une jante en forme de tore rempli d'une matière poreuse légère. Turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pales sont réalisées en toile ou feuille de matière plastique flexible. 6 Turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pales sont creuses, de configuration aérodynamique et comportent des moyens d'es- pacement ( 5) appropriés. 7 Turbine suivant la revendication 3, caractérisée en ce que chacune des pales ( 2) est reliée à la jante ( 1) en forme de tore par un manchon entourant le tore et relié à l'extrémité extérieure de la pale. 8 Turbine suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le tore est rempli d'un gaz plus léger que l'air. 9 Moteur à vent, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 et en ce qu'il est monté sur un pivot vertical au som- met d'une tour, la turbine étant accouplée à l'arbre d'un générateur d'électricité, des moyens étant prévus pour o- rienter la turbine dans la direction du vent, le moteur à vent comprenant de préférence un générateur ( 43) monté sur un pivot vertical ( 41) au sommet d'une tour ( 40), un pivot horizontal ( 45) permettant l'inclinaison du générateur dans un plan vertical, la turbine ( 42) étant remplie d'un gaz plus léger que l'air et fixée à l'arbre du générateur au moyen d'un câble flexible ( 44) de transmission de couple. Moteur à vent, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, un générateur et une turbine étant accouplés ensemble et montés dans une coque annulaire ( 50) en matériau léger, cette coque étant creuse et remplie d'un gaz plus léger que l'air de façon à ce que le moteur à vent s'élève dans l'air, l'ensemble étant ancré au sol par un câble ( 51) com- portant des moyens de transmission de l'électricité. 11 Moteur à vent, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, un générateur délectricité étant accouplé à la turbi- ne, l'ensemble étant porté en altitude par un ballon ( 61) ancré au sol.