Brevet FR2758594A1 — publié le 19980724

L'invention est relative aux aérogénérateurs birotors Les perfectionnements concernent les rotors et les alternateurs d'aérogénérateurs birotors sur support en V pivotant ,tels qu'ils ont été décrits dans les demandes de brevets français n"95 10132 et n"96 10269 et la demande de brevet européen n"96401818.8 . A ce jour l'amélioration de la compétitivité de l'exploitation de l'énergie éolienne nécessite un abaissement des coûts et donc une simplification des mécanismes utilisés. On connait par exemple les alternateurs multipôles sans engrenages de la société allemande ENERCON ,qui simplifient beaucoup les aérogénérateurs Il est possible également ,en adoptant le concept du birotor de simplifier et d'alléger les rotors en supprimant les mécanismes de pas variable Il existe plusieurs moyens de réaliser des rotors à pas fixe de grande résistance structurale Il existe également un moyen d'éviter l'emballement d'un rotor à pas fixe et à pales creuses. L'un des moyens connus (brevet français n 84 18514) de L.ROMANI) consiste à faire les pales biplanes procédé qui augmente leur résistance aux efforts de flexion et de torsion. Ce type de rotor à pales biplanes présente également l'avantage d'avoir une meilleure finesse à surface égale par rapport à un rotor à pales monoplanes usuelles. Un rotor à pales biplanes qui possède une vitesse spécifique élevée est avantageux pour fonctionner en association avec un alternateur multipôle sans engrenage Un moyen connu destiné a combattre l'emballement éventuel d'un rotor à pas fixe consiste à provoquer une circulation d'air centrifuge à l'intérieur de pales creuses. Ce procédé a été expérimenté par ELECTRICITE DE FRANCE (brevet français n"1.085.77 Ce procédé peut s'avérer encore plus efficace si il est appliqué à un rotor à pales biplanes car dans ce cas ,le nombre des canaux d'éjection d'air centrifuge est doublé. les perfectionnements sont destinés à améliorer la fabrication des rotors à pales biplanes et en particulier de permettre la fabrication économique des rotors contrarotatifs nécéssaires pour constituer des aérogénérateurs birotors Les perfectionnements sont destinés également à améliorer l'aérodynamisme des alternateurs multipôles ,necéssairement de grand diamètre L'invention concerne également un dispositif de fixation des deux alternateurs à l'extrémité des deux flèches d'un support en V Selon une caractéristique de l'invention , qui assure le meilleur contrôle aérodynamique ,les deux plans d'une pale sont exactement superposés par rapport à la direction du vent réel et donc ,par rapport au vent relatif, le plan inférieur est légèrement en avant et le plan supérieur légèrement en arrière Lorsque l'on limite le régime de rotation du rotor par rapport à sa vitesse optimale ,les deux plans décrochent simultanément et le plan supérieur se trouve partiellement masqué par le plan inférieur. En régime de rotation optimale les deux plans forment un canal VENTURI par rapport à la direction du vent réel et la vitesse d'écoulement est augmentée dans l'espace intercalaire entre les deux plans ,phénomène qui accroit la portance et le couple moteur Sur les modèles connus ,le problème de la liaison des deux plans n'a pas été entièrement résolu d'autre part ,les liaisons entre les plans provoquent des trainées parasites néfastes. Il a été proposé de percer les plans de liaison profilés pour permettre la libre circulation de l'écoulement d'intrados et d'extrados mais bien entendu ,ces perforations affaiblissent encore les liaisons Selon l'invention ,on dispose les cloisons de liaison obliquement dans le sens de l'expansion du flux d'air entre l'amont et l'aval, chacune des liaisons décrivant alors une surface conique d'un angle différent selon son éloignement du centre de rotation. Selon une autre caractéristique qui concerne la fabrication d'une pale biplane ,celle ci est fabriquée par assemblage de plusieurs éléments. Les matériaux utilisés sont ceux de l'industrie aérospatiale à base de composés plastiques ou bien des matériaux ayant l'avantage de pouvoir être recyclés ou d'être renouvelable par exemple les alliages d'aluminium sous forme de tôles ou bien de profilés obtenus par filage ou bien le bois lamellé-collé Une pale biplane est formée d'un longeron évidé commun aux deux plans et les reliant transversalement .Ce longeron constitue à la fois et en une seule pièce : la queue de pale ,les deux parties médianes des deux plans et les liaisons entre ces plans. Le longeron est fabriqué à plat La pale biplane est terminée en assemblant des profils qui constituent les bords d'attaque et les bords de fuite et qui sont fabriqués en plusieurs éléments séparés ou bien d'un seul tenant par exemple par filage. Des éléments de profils complètent également les liaisons transversales du longeron Selon une autre caractéristique ,chaque rotor est formé de deux pales biplanes dont les queues sont encastrées dans un fléau creux relié par un carcan à l'arbre de l'alternateur. La longueur du fléau est sensiblement égale au diamètre extérieur de l'alternateur Chaque alternateur est contenu dans une enveloppe rigide en forme d'éllipsoïde de révolution à axe horizontal ,dont la section est plus ou moins aplatie Chaque alternateur est porté sur son axe par une fourche extérieure solidaire de chaque flèche du support en V Les manoeuvres d'orientation ou de désorientation par rapport à la direction du vent s'effectuent en désynchronisant temporairement l'un des alterna -teurs par rapport à l'autre ,ou bien en manoeuvrant le volet aérofrein fixé à l'une des flèches Les perfectionnements énumérés permettent d'améliorer la fabrication et l'exploitation d'un aérogénérateur birotor de puissance moyenne ,par exemple de 2000 Kw. par vent de 13M/sec..Dans ce cas ,les rotors ont environ 40M de diamètre et les alternateurs 6M de diamètre Ce birotor présente l'avantage d'être plus simple et moins coûteux que deux aérogénérateurs mono -rotors usuels balayant la même surface et portés à la même hauteur de 50M par exemple. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente vu de face l'aérogénérateur birotor La figure 2 représente le même aérogénérateur vu de profil La figure 3 est une vue de face du rotor et de l'alternateur placés au-vent du support en V La figure 4 est une vue de profil du rotor et de l'alternateur au-vent ,indiquant également en pointillé la position de l'alternateur sous-le -vent La figure 5 est une vue en coupe de la pale biplane indiquant la direction de l'écoulement en régime de fonctionnement normal. La figure 6 est une vue en coupe de la pale biplane représentant l'écoulement en séquence de decrochage aérodynamique La figure 7 est une vue d'ensemble des éléments constitutifs d'une pale biplane La figure 8 est une vue en coupe et en détail du mode de fabrication d'une pale biplane en composé plastique. La figure 9 est vue en coupe de la même pale dans sa partie d'extrémité La figure 10 est une vue en coupe du fléau cylindrique et de l'encastrement de la queue de pale La figure 11 est une vue en coupe de l'une des liaisons entre les deux plans La figure 12 est une vue en coupe du moule de fabrication en matériau plastique composite du Longeron de la pale biplane La figure 13 est une vue en coupe de l'empilement des lamelles collées en bois du même longeron La figure 14 est une vue de face et en coupe partielle d'un rotor à pales biplanes dont les plans sont rectangulaires ,ainsi que son alternateur La figure 15 représente en coupe partielle une des pale biplanes dont les bords d'attaque sont creux La figure 16 est une vue en coupe de la même pale biplane La figure 17 est une vue en détail des prises d'admission d'air dans la pale biplane creuse. La figure 18 est une vue en coupe de l'une des liaisons de la même pale biplane creuse Chacun des deux rotors est formé de deux pales biplanes (l)et(2) et (3)et(4). Chaque rotor est associé à un alternateur multipôle à vitesse variable (5)et(6) fixé par l'intermédiaire d'une fourche (7)et(8) au sommet des deux fleches(9)et(10) du support pivotant en V (11). Selon la variante de réalisation représentée ,les deux rotors sont coplanaires et contrarotatifs et un volet aérofrein(12) est fixé sur la flèche(7) du rotor au vent. On a représenté la manoeuvre de fixation de l'alternateur(6) sur la fourche(8) de la fléche(l0) La pale biplane(l) est formée d'un plan inférieur (13) et d'un plan supérieur(l4).Ces deux plans forment un dièdre et sont réunis par des éléments profilés(l5),(16),(17) qui sont inclinés par rapport à l'horizontale d'environ 10",15"et 20 . Les deux plans (13)et(14) convergent pour former la queue de pale(18) qui est encastrée dans le fléau(l9) lui même immobilisé par le carcan(20) sur l'arbre(21). le rotor et le stator de l'alternateur multipôle(5) sont contenus dans une enveloppe rigide en forme de coque(22) la pale biplane(l) dont les plans sont vrillés et effilés est formée d'un longeron(23) sur lequel sont fixé des blocs de bord d'attaque(24) et de bord de fuite(25). Les deux pales(l)et(2) sont réunies par un tirant (26) qui passe au travers des queues de pales(18). Ce tirant s'oppose à la force centrifuge Le longeron(23) à section variable ou constante est fabrique à plat dans un moule ( 54) composé de pièces amovibles (55), (56), (57) qui permettent le démoulage .I1 peut être également fabriqué par empilement de lamelles collées(28). Les éléments de liaison entre les plans tels que (15),(16),(17) sont complétés par des profils(29) et(30)..Les blocs de bord d'attaque(24) et de bord de fuite(25) sont fabriqués en mousse rigide plastique(31) et revêtus de fibre de verre(32). Le longeron(23) est fabriqué en fibre de carbone autour d'une âme en mousse rigide(33). Selon une autre variante de réalisation ,on a représenté une pale biplane partiellement creuse biplane(35). Les deux plans de cette pale(36)et(37) sont rectangulaires et vrillés et les deux pales biplanes sont associées comme précédemment à un alternateur multipôle(38) dont le carénage à une forme aplatie. La pale biplane(35)est formée d'un longeron(39) également en fibre de carbone et d'éléments de bord d'attaque(40) et de bord de de fuite(41) fabriqués en tôles d'aluminium pliées ou par filage .Dans le cas ou l'on utilise des profils obtenus par filage ,ceux-ci sont vrillés par torsion et épousent le vrillage du longeron. Des trappes d'admission d'air(42) sont percées dans l'intrados des deux profils de bord d'attaque (43)et(44) laissés libres et forment deux canalisations d'air ouvertes en bout de pale Les trappes sont fermées par des valves flexibles formant ressorts(45). Les valves(45) se soulèvent lorsque le différentiel de pression entre l'intérieur des canalisations d'air et la pression d'intrados atteint une valeur prédéterminée. Quand les valves s'ouvrent par exemple par vent de force excessive, I1 se produit une circulation d'air centrifuge éjecté en bout de pale qui limite le couple moteur et la vitesse de rotation du rotor. On a représenté en coupe l'organisation interne de l'alternateur associé au rotor à pales biplanes. REVENDICATIONS 1)Aérogénérateur birotor caractérisé en ce que chacun des deux rotors à pas fixe est formé de deux pales biplanes(l)et(2) et(3)et(4) et que chaque rotor est associé à un alternateur multipôle à vitesse variable(5)et(6),fixé par l'intermédiaire d'une fourche(7)et(8) au sommet des deux flèches (9)et(10) d'un support pivotant en V(11). 2)Aérogénérateur birotor selon la revendicationl caractérisé en ce que chaque pale biplane(l)et(2) (3)et(4) est formée d'un plan inférieur(13) et d'un plan supérieur(l4),que ces deux plans vrillés sont superposés par rapport à la direction du vent reel et forment un canal VENTURI par rapport à la direction du vent relatif et que ces deux plans forment un dièdre et sont réunis par des éléments profilés(15),(16),(17) qui sont inclinés par rapport à l'horizontale d'environ 10",15'et 20 . 3)Aérogénérateur birotor selon les revendi -cations 1 et 2 caractérise en ce que les deux plans(l3)et(14) de chaque pale biplane convergent pour former la queue de pale(18) qui est encastrée dans un fleau(l9) et que les deux queues des deux pales sont réunies par un tirant(26) qui s'oppose à la force centrifuge. 4)aérogenérateur birotor selon les revendica -tions 1,2,3 caractérisé en ce que chaque pale biplane telle que (l)et (2) est formée d'un longeron(23) commun aux deux plans vrillés et effilés(l3)et(14) qui constitue également les éléments de liaison(15),(16),(17) ainsi que la queue de pale(18) et que des blocs de bord d'attaque(24) et de bord de fuite(25) sont fixés Latéralement sur le longeron(23) 5)Aérogénérateur birotor selon la revendicationl caractérisé en ce que chaque pale biplane est formée de deux plans superposés(36)et(37) rectan -gulaires et vrillés 6)Aérogénérateur birotor selon les revendi -cations let5 caractérisé en ce que chaque pale biplane est formée d'un longeron(39) commun aux deux plans superposés(36)et(37) et que des profils filés tels que (40)et(41) forment les bords d'attaque et les bords de fuite 7)Aérogénérateur birotor selon les revendi -cations 1,5 et 6 caractérisé en ce que les profils de bord d'attaque(40) sont creux et forment des canalisations d'air(43)et(44) ouvertes en bout de pale , et que des trappes d'admission d'air(42) sont percées dans l'intrados des profils creux (43)et(44) et sont fermées par des valves flexibles formant ressort(45), et que ces valves se soulèvent sous l'effet d'un différentiel de pression d'une valeur prédéterminée . 8)Aérogénérateur birotor selon la revendicationl caractérisé en ce que chaque alternateur multipôle (5)et(6) est contenu dans une enveloppe rigide en forme de coque(22) qui est fixée sur une fourche telle que(7)et(8) 9)Aérogénérateur birotor selon les revendi -cations 1 et 8 caractérisé en ce que chaque coque(22)à la forme d'un éIlipsorde de révolution. 10)Aérogénerateur birotor selon les revendica -tions précédentes d'une puissance d'environ 2000 Kw. ,dont les deux rotors ont environ 40M de diamètre et dont les mouvements d'orientation ou de désorientation par rapport à la direction du vent sont effectuées en désynchronisant les régimes de rotation des deux alternateurs multipôles(5)et(6) .