Brevet FR2526877A1 — publié le 19831118

La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux hélices et turbines en vue d'en assurer la bon fonctionnement et l'autorégulation, tout en favorisant un rendement énergétique élevé dans une large gamme de conditions d'utilisation. On a déåà proposé de très nombreux systèmes de régulation applicables aux aérogénérateurs, aux turbines motrices et aux hélices propulsives. Ces systèmes ont principalement pour but de répondre aux effets des variations de vitesse relative du milieu fluide considéré et des variations de vitesse de rotation des hélices ou turbines en mouvement dans ce milieu. Certains de ces systèmes présentent spécialement des fonctions limitatrices des contraintes mécaniques. La plupart des dispositifs connus comportent des moyen permettant une variation du pas des hélices et/ou l'asservissement de ce pas. Généralement, la commande de ce dernier se irait par un mécanisme axial prévu dans le rotor principal et agissant sous l'effet de la force centrifuge ou sous d'autres effets dus à la vitesse de rotation. Par ailleurs, quelques systèmes connus exploitent les forces dynamiques dues à l'action du fluide considéré sur des parties de l'hélice (ou de la turbine) et notamment les forces axiales ou les forces au niveau des pales se traduisant par une réaction sur le pas au prix de réalisations mécaniques souvent complexes et/ou vulnérables (voir par exemple les brevets français NO 74 35 542 et NO 76 14999). Or, la présente invention vise une hélice ou une turbine perfectionnée, pourvue d'un moyen simple permettant une autorégulation en exploitant directement l'un des principaux facteurs de rendement, à savoir 11 angle d'attaque d'une pale par rapport au vecteur vitesse relatif local du fluide considéré sur ladite pale. Les hélices ou turbines perfectionnées selon ltin- vention sont compatibles et exploitables notamment : - quel que soit le milieu fluide considéré, que ce soit un milieu gazeux (comme l'air, par exemple) ou un milieu li quide (comme l'eau, par exemple) - quels que soient les domaines d'utilisation de ces hélices ou turbines, tels que - la propulsion de modules, 'aeinefs, d'embarca-. tions, par exemple au mojen dshélines aériennes ou nautiques - la propulsion ou la m-se en mouvement de fluides divers, canalisés ou non, par exemple au moyen de ventilateurs hélicoldes ou de pompes à liquide du type à turbine - la collecte d'énergie dans le fluide considéré comme c'est le cas, par exemple, des aérogénéra teurs, des éoliennes, des turbines a gaz ou des turbines hydrauliques. Ainsi, la présente invention vise la régulation des hélices en faisant appel à des forces de caractère dynamique exercées par l'action du milieu fluide en mouvement relatif sur la surface des paies. le principe sur lequel est fondée la présente inven- tion est illustré aux figures la et lb. Soit un profil d'aile (P) constitutif principal d'une pale, par exemple d'un aérogénérateur du type hélicoSde, d'axe de rotation et de transmission d'énergie (a-a'). La pale est assujettie au rotor d'axe a-a' par l'intermédiaire d'un pivot d'axe (Pa), sensiblement orthogonal à l'axe du rotor a-a'. Cet axe (Pa) est longitudinal par rapport au bord d'attaque (Ba) de la pale et voisin de celui-ci. Cette pale peut ainsi osciller autour de l'axe (Pa) sans qu'aucun organe mécanique rigide ne vienne entraver cette libre oscillation. Ce sont principalement des forces de caractère dynamique qui vont déterminer l'angle d'oscillation de la pale autour de l'axe. (Pa), notamment les forces exercées par le fluide en mouvement relatif. Cette oscillation correspond évidemment à une variation de pas moyen de la pale. Soit alors V1 (voir figure lb) le vecteur vitesse de la section de pale représentée en rotation par rapport-à l'axe du rotor a-a' à un instant donné. Soit aussi V2 le vecteur "vent apparent (dans le cas oû l'air est le fluide considéré) vis-à-vis de l'axe du rotor a-a' et V3 le vecteur "vent rela tif" s-à-vis de la section a e pale considérée résultant de la composition des mouvements relatifs liés à V1 et à V2. L'angle d'attaque de l'aile (P) constitutive de la pale est indiqué par la référence A. Dans ces conditions, il apparaît une force F1 (voir figure la) résultant de l'action du fluide en mouvement sur la surface de la pale. Cette force F1 produit non seulement un couple mécanique par rapport à l'axe a-a', mais également un couple mécanique par rapport à l'axe d'oscillation (Pa) de la pale. Ceci étant, si l'on dispose d'un second profil d'aile (ou ailette telle que R) de dimension relativement petite, située au voisinage du bord de fuite (Bf) du profil de la pale P et rendu solidaire de cette dernière sur tout ou partie de la longueur de ce bord de fuite, la corde du profil de R forme avec la corde du profil de P un angle obtus ouvert (C). L'aile principale constitutive de la pale et l'ailette (R) forment donc ainsi un dièdre d'angle C. On peut alors constater que le mouvement relatif du fluide agissant sur l'ailette R (dite ailette de réaction) provoque une force dynamique F2. les couples respectivement formés par les forces F1 et F2 sur l'axe Pa sont de signes opposés et déterminent une position d'équilibre. En effet, toute action tendant à faire osciller la pale P autour de son axe (Pa) provoque un déséquilibre des couples dont le couple résultant agit dans le sens d'un retour à une position moyenne déterminée. De légères oscillations sont alors possibles mais autour de cette position moyenne. Un bon fonctionnement impliquera toutefois que l'angle (C) du dièdre soit assez ouvert (par exemple compris entre 1500 et 1800, de préférence de l'ordre de 1650, avec des variations plus ou moins larges). Cet angle devra etre ajusté notamment en fonction de la nature des profils d'aile retenus pour la pale (P) et pour l'ailette de réaction (R) et de leur dimensionnement, de façon à obtenir un angle d'attaque (A) favorable déterminé à laide des polaires des profils considérés et des qualités recherchées. Une pale réalisée conme indiqué ci-dessus permet une autre adaptation de sa position vis-à-vis des cpnditions locales rencontrées et notamment l'action du "vent apparent local" sur les organes tournants. L'invention couvre donc une hélice ou turbine à pas variable et autorégulé montée en rotation autour de l'axe de son rotor convenant notamment pour la propulsion d'engins ou de fluides ou pour la production d'énergie, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins une pale de profil donné, cette pale étant, d'une part, assujettie à ce rotor par l'in termédiaire d'un pivot sensiblement orthogonal à cet axe de rotor, et dont l'axe est longitudinal par rapport au bord d'attaque et voisin de ce bord de manière que la pale considérée puisse osciller librement autour de ce pivot et, d'autre part, munie d'un second profil d'aile de surface relativement petite par rapport au'profil principal de la pale et assujetti sur tout ou partie de la longueur du bord de fuite de cette pale, la corde du profil de ce second profil d'aile formant avec la corde du profil de la pale un angle obtus. D'autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés sur lesquels les figures la et lb sont, comme indiqué ci-dessus, des schémas explicatifs du principe sur lequel est fondée la présente invention les figures 2 et 3 sont des vues d'hélices selon l'invention dans deux applications différentes les figures 4a, 5a et 6a sont des vues en plan d'une pale d'une hélice selon l'invention suivant trois modes de réalisation possibles, les figures 4b, 5b et 6b en étant des coupes transversales correspondantes montrant le profil de cette pale ; et les figures 7 à 9 sont des vues en perspective d'autres modes de réalisation d'une hélice ou turbine selon l'invention. En se référant à la figure 2, celle-ci illustre schématiquement l'application de l'invention à la réalisation d'une éolienne, dont on a représenté l'arbre tournant 2 supportant un rotor 3 sur lequel un ou plusieurs bras sont montés sensiblement orthogonalement par rapport à l'axe 10 duait arDre 2. Deux pales semblables sont représentées sur cette figure 2, sous deux angles de vue différents. Elles portent les mêmes références correspondantes. Sur chaque bras 4 est montée une pale 6 constituée par une aile (de préférence en un matériau rigide) et pouvant osciller librement. Pour ce faire, le corps de la pale comporte un alésage interne 5 realisé le long et au voisinage du bord d'attaque 7 de la pale 6, alésage dans lequel s'engage une partie cylindrique du bras sur tout ou partie de la longueur de cette pale 6.L'axe géométrique de l'oscillation mécaniquement libre est indiqué par la référence 8. L'extrémité du bras 4 engagée dans l'alésage 5 forme donc pivot d'axe 8 pour la pale 6. Chaque bras 4 comporte en outre des pièces (9) pour le maintien longitudinal de la pale qui lui est associée, telles que : goupilles, écrous, etc. Bien entendu, tout autre moyen mécanique équivalent connu permettant l'oscillation libre des pales 6 autour d'un axe 8 assujetti à une position orthogonale (ou voisine de celle-ci) par rapport à l'axe 10 du rotor 3 peut être envisagé. Par ailleurs, le profil de la pale 6 est incurvé ou, en quelque sorte, prolongé et complété au voisinage de son bord de fuite en 11 pour former une ailette de réaction telle que définie précédemment. L'angle d'attaque 13 correspondant à l'équilibre d'orientation de la pale permet la production de forces dynamiques par l'action du fluide en mouvement (1) (l'air par exemple) sur la pale. Une-fois cet équilibre atteint, le fonctionnement de l'aérogénérateur -s'apparente à celui d'un aérogénérateur classique mais qui serait soigneusement régulé et adapté. C'est ainsi, par exemple, que, dans le cas où le vent relatif 1 vis-à-vis du rotor 3 dirigé suivant l'axe 10 serait constant, le vecteur de vitesse relative du fluide sur la pale subirait une rotation selon l'axe 10 identique à celle de la pale 6 elle-même. La position angulaire prise par la pale dépend alors essentiellement de la vitesse de rotation du rotor 3, si bien que la régulation est active lorsque cette vitesse varie. De même, la fonction d'autoregulation et d'autoadaptation agira en fonction d'autres paramètres tels que variation de vitesse relative du vent et mê,T.e variation modérée de l'angle du vecteur vent avec l'axe iO de l'hélice. La forme, les dimensions et la position de l'ailette de réaction 11 peuvent etre choisies à volonté pour favoriser soit un couple élevé, soit une vitesse élevée. En outre, tout dispositif connu de variation et de transformation de couple et de vitesse sur l'arbre est compatible avec les pales selon l'invention. Bien entendu, le dispositif illustré à la figure 2 peut être adapté et étendu à toute hélice et turbine ayant une fonction réceptrice d'énergie dans un fluide quelconque. On notera que l'axe d'oscillation 8 de la pale et l'axe du rotor 10 ne sont pas nécessairement sécants. La figure 3 illustre une autre application particulière de l'invention, à savoir celle des hélices et turbines destinées à transmettre de l'énergie d'un moteur vers un fluide ou bien, par réaction également, vers l'ensemble mobile lequel est montée l'hélice ou la turbine pour assurer la propulsion du mobile. Les références utilisées sont celles de la figure 2 pour désigner les mêmes pièces ou des piècesà-fon- tion équivalente Un rotor 3 est monté sur un arbre moteur 2;au moins une pale oscillante 6 comporte une ailette de réaction 11-. Le vent apparent 12 vis-à-vis de la pale 6 produit sur celle-ci une position d'équilibre dynamique. le sens de rotation correspondant à la situation et à l'utilisation est indiqué par-la flèche 14. On remarquera que la différence entre l'application illustrée par la figure 2 et celle illustrée par la figure 3 réside dans le sens différent de ltorientation de l'ailette de réaction 11 par rapport à 11 aile constituant la pale et à son mouvement. En effet, une concavité est réalisée entre cette ailette de réaction 11 et l'aile constituant la surface principale de la pale 6, comte montré sur les deux figures 2 et 3. Le sens d'orientation de cette concavité est susceptible de servir de repère d'orientation fonction du type d'application. Dans l'application selon la figure 2 à une turbine ou à une hélice réceptrice et collectrice d'énergie, la conca vité résultant du positionnement de l'ailette de réaction 11 sur l'ensemble de la pale 6 est orientée vers le sens du nouvement de la pale conforme à la rotation 14. Dans l'application selon la figure 3, la concavité due à la position de l'ailette de réaction 11 est orientée en sens inverse du mouvement de la pale 6 lié à la rotation 14. Cette différence d'orientation de concavité est en accord avec le sens de transmission de l'énergie, à savoir, respectivement, du fluide vers la pale et de la pale vers le fluide. La similitude des réalisations illustrées aux figures 2 et 3, à l'orientation près des ailettes de réaction, correspond à la possibilité d'échanger les fonctions d'une réalisation donnée, propulsive ou génératrice, à la condition, bien entendu, de respecter, à l'utilisation, les orientations des mouvements et des effets associés. On notera que l'application particulière de la présente invention selon la figure 3 peut être étendue à toute hélice ou turbine présentant une fonction propulsive, ce qui correspond à deux types d'actions : propulsion de mobiles et propulsion de fluides. En se référant aux figures 4 à 6, on remarquera que différents modes de montage des ailettes de réaction 11 sont possibles sur les figures 4a-4b, on a représenté une ailette de réaction 11 solidaire de la surface principale du profil de pale formant un ensemble unique rigide sur les figures 5a-5b, l'ailette de réaction 11 est séparée de la structure principale de la pale par une fente 15a. Cette ailette de réaction présente un profil distinct du profil de l'aile constitutive de l'élément principal de la pale. Les deux profils sont rendus solidaires l'un de l'autre, de façon rigide, à l'aide des pièces ou nervures 15 sur les figures 6a-6b, par contre, l'ailette de réaction 11 est articulée sur le profil de la pale au voisinage du bord de fuite de celle-ci. Le profil de la pale et le profil de l'ailette de réaction sont distincts ; leur articulation et liaison sont consQituées de charnières 16 dont l'axe est longitudinal et sensiblement parallèle à l'axe d'oscillation libre ( & de la pale. La position de l'ailette de réaction 11 est réglable à l'arrêt, mais un blocage pour une position donnée de travail en est obtenu par tout moyen approprié comme, par exemple, par serrage de boulons 17. Suivant une autre forme de réalisation particulière, l'ailette de réaction peut être rendue réglable en position sur une articulation située au voisinage du bord de fuite du profil de pale, par exemple gracie à un mécanisme analogue à un mécanisme de commande de pas dans lequel l'action s'exerce non pas directement par suite de l'orientation de la pale mais, dans le cas présent, par suite de l'orientation de l'ailette de réaction. Ce mode de réalisation particulier est illustré à la figure 8. En se référant à cette figure, le palier principal de l'arbre d'hélice est représenté en 19 et le palier permettant l'oscillation libre de la pale 6 est prévu dans un bossage 20. La pale 6 est rendue solidaire d'un bras 21 dont l'extrémité 22 est engagée et fixée dans la bague tournante intérieure (non représentée) du palier logé dans le bossage 20. La tringlerie de commande représentée (23) permet une réalisation compatible avec les éléments caractéristiques de la présente invention. Cette combinaison particuliere, avec commande agissant sur l'ailette de réaction, permet de conserver l'autorégulation de pas tout en permettant de faire varier à volonté des paramètres d'exploitation de l'hélice (ou de la turbine) perfectionnée selon l'invention. C'est ainsi, par exemple, que cette combinaison permet de mettre l'hélice "en drapeau" ou d'inverser le sens de rotation ou d'inverser le sens de transmission d'énergie et donc la fonction réceptrice ou propulsive. De plus et suivant encore un autre mode de réalisation illustré à la figure 7, on peut réaliser un fractionnement des pales selon des plans perpendiculaires à l'axe d'oscillation 8 des pales. Chaque tronçon de pale ainsi obtenu (tel que 6a, 6b) est libre d'osciller indépendamment ; il s'oriente par conséquent en fonction des conditions locales et donc de a position radiale considérée. L'utilité d'un gauchissement de pale, tel que réalisé sur la plupart des hélices classiques, est ainsi conservée et/ou améliorée. Selon encore un autre mode de réalisation illustré à la figure 9, chaque pale comporte une masse d'équilibrage 24 de façon à combattre les effets des couples parasites mAcani- ques vis-a-vis de l'axe d'oscillation 8 de pale et de l'axe 10 du rotor. De façon générale, parmi les avantages obtenus par des hélices ou turbines perfectionnées selon l'invention, on citera notamment - la régulation et l'optimisation de la fonction réceptrice d'énergie ou propulsive malgré la variation large des para mètres : vitesse relative du fluide, orientation axiale, couple et-vitesse de rotation - l'aptitude à faciliter les régimes transitoires tels que les démarrages - la possibilité de prendre en compte les gradients de vitesse du fluide considéré comme, par exemple, dans le cas d'un aérogénérateur de grandes dimensions, le gradient de vent entre la pale haute et la pale basse, ceci améliorant les caractéristiques mécaniques et l'efficacité énergétique de l'aérogénérateur ; ; - la possibilité de prévoir un gauchissement des pales - l'aptitude à éviter que les pales ne se présentent sous des angles d'attaque anormaux pouvant entrainer des contraintes mécaniques excessives - la simplification appréciable de construction des hélices et turbines, tout en assurant des fonctions de nature simi laire à celles des mécanismes de commande de pas connus les plus performants, tout en facilitant des fonctions supplé mentaires grâce à l'autoadaptation au niveau meme des pales. I1 va du reste de soi que la présente invention 'n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toutes modifications utiles pourront y être apportées sans sortir de son cadre. S VEt9 DI5Ams 1. Hélice ou turbine perfectionnee à pas variable et autorégulé montée à rotation autour de liaxe de son rotor convenant notamment pour la propulsion d'engins ou de fluides ou pour la production d'énergie, caracterisée par le fait qu'elle comporte au moins une pale de profil donné (P) cette pale étant, d'une part, assujettie â ce rotor par l'intermé- diaire d'un pivot sensiblement orthogonal (Pa) à cet axe de rotor, et dont l1axe est longitudinal par rapport au bord d'attaque (Ba) et voisin de ce bord de manière que ia pale considérée puisse osciller librement autour de ce pivot et, d'autre part, munie d'un second profil d'aile (R) de surface relativement petite par rapport au profil principal de la pale et assujetti sur tout au partie de la longueur du bord de fuite de cette pale, la corde du profil de ce second profil d'aile formant avec la corde du profil de la pale un angle obtus (C). 2. Hélice ou turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'angle obtus (C) est compris entre 1500 et 1800, de préférence de l'ordre de 1650, avec des variations plus ou moins larges. 3. Hélice ou turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le second petit profil d'aile (R) forme avec le profil principal (P) un ensemble rigide. 4. Hélice ou turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le second petit profil d'aile est monté articulé. 5. Hélice ou turbine selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'un moyen de réglage de position est prévu pour agir sur ledit second petit profil d'aile. 6. Hélice ou turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que chaque pale est fractionnée selon des plans perpendiculaires à son axe d'oscillation, chaque tronçon étant ainsi libre d'osciller indépendamment. 7. lice ce ou turbine selon l'une quelconque des revendications 4 à 63 caractérisée par le fait qu'elle comporte un moyen de commande pour agir sur l'orientation du second profil d'aile. 8. Hélice ou turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte une masse d'équilibrage (24) pour combattre les effets des couples parasites mécaniques vis-à-vis de l'axe d'oscillation de pale et l'axe du rotor.