Brevet FR2922273A1 — publié le 20090417

-1- Rotor pour générateur d'énergie, en particulier d'énergie électrique. La présente invention concerne un rotor pour générateur d'énergie, en particulier d'énergie électrique, à partir d'un écoulement fluidique pouvant être de 5 l'air ou de l'eau notamment. Les préoccupations environnementales et le renchérissement des sources d'énergie fossile ont conduit ces dernières années à un regain d'intérêt pour des formes d'énergies alternatives en particulier dans le domaine de l'éolien. Les solutions éoliennes les plus courantes consistent en des éoliennes à 10 axe horizontal disposant d'une hélice perpendiculaire au vent et montée sur un mât. Cette technologie est souvent utilisée pour des installations de dimensions imposantes pour une génération de puissance électrique importante. Des solutions d'encombrement plus réduit ont par ailleurs été proposées en 15 particulier pour des installations à proximité des bâtiments consommateurs d'énergie électrique. C'est dans ce cadre que s'inscrit le document FR A 2 872 867 divulguant un dispositif pour générer de l'énergie grâce à la force du vent constitué sous la forme d'un aérogénérateur disposant d'un rotor dont les pales sont de forme semi tronconique et sont quasi parallèles à l'axe de rotation. 20 Essentiellement utilisé avec un axe de rotation horizontal, ce type de dispositif offre une grande efficacité associée à une compacité compatible avec de multiples zones d'installation notamment sur les toits de bâtiments. Les pales de ce type de générateur sont cependant de grande taille et disposent par conséquent d'une surface de contact avec le fluide élevé ce qui 25 implique des considérations de résistance mécanique nécessitant un dimensionnement de structures adaptées à la reprise d'efforts induits par des vents de force très variable. L'invention ici proposée a pour but d'améliorer les technologies de rotor disposant de pales orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor. 30 En particulier, l'invention a l'avantage de permettre une grande faculté d'adaptation à la vitesse de l'écoulement fluidique qui peut être très variable en particulier lorsqu'il s'agit du vent. Ce faisant, le rotor ici préconisé voit sa configuration évoluer selon la force du vent garantissant l'installation de génération électrique contre les risques de -2 casse du rotor et permettant d'optimiser la structure de l'ensemble notamment au regard des contraintes mécaniques imposées par le vent. Le demandeur a ainsi constaté que l'on pouvait nettement diminuer le poids du rotor par la mise en oeuvre de son invention tout en maintenant une fiabilité mécanique suffisante. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui présente un mode de réalisation détaillé de l'invention, ce mode de réalisation ne devant cependant pas être considéré comme limitatif. Auparavant, il est rappelé que la présente invention concerne un rotor pour générateur d'énergie à partir d'un écoulement fluidique comportant une pluralité de pales orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de variation de l'obliquité des pales. Suivant des variantes préférentielles mais non limitatives, ce rotor est tel que - les moyens de variation sont commandés de sorte à asservir l'obliquité 15 des pales à la vitesse de l'écoulement fluidique, - les pales ont une forme globalement semi tronconique, -l'obliquité des pales est variable dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan défini par les bords longitudinaux des pales, - le dispositif comporte un arbre suivant l'axe du rotor et des moyens de 20 liaison entre l'arbre et chaque pale, - les moyens de liaison comportent, pour chaque pale, une articulation à proximité du bord d'attaque de la pale et au moins une liaison aval variable, - les moyens de variation comportent des moyens de modification de la 25 longueur des liaisons aval, - les moyens de variation comportent des moyens de modification de la position des liaisons le long de l'arbre, - l'obliquité des pales est variable entre 0 et 45°. - le bord d'attaque des pales forme un angle compris entre 20 et 30° vers 30 l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales, - le bord de fuite des pales forme un angle compris entre 20 et 30° à l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales. L'invention concerne également un dispositif de génération d'énergie électrique comportant une génératrice couplée à au moins un rotor selon l'invention. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas 5 limitatifs de l'invention. Ils représentent seulement un mode de réalisation de l'invention et permettront de la comprendre aisément. La figure 1 présente en perspective une première configuration de l'invention applicable pour des écoulements fluidiques de vitesse moyenne. La figure 2 en est une vue suivant la direction F. 10 La figure 3 montre en perspective l'invention dans le cas d'un écoulement fluidique plus puissant La figure 4 en est une vue selon la direction E. Les figures 5 et 6 présentent deux inclinaisons différentes d'une pale d'un rotor selon l'invention. 15 Les figures 8 et 9 montrent une variante de l'invention comparativement au mode de réalisation schématisé en figure 7. Le rotor ici présenté comporte une pluralité de pales 4 illustrées aux diverses figures et présentant une direction longitudinale de composante non nulle suivant l'axe de rotation 2 du rotor. De cette façon, les pales 4 sont formées 20 obliquement relativement à l'axe du rotor. Dans le cas illustré, trois pales 4 sont constituées mais ce chiffre n'est pas limitatif. Par ailleurs, l'exemple représenté dispose de pales 4 identiques, uniformément réparties et réalisées par une enveloppe semi tronconique légèrement vrillée entre le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 6 d'un angle 25 compris entre 20 et 30°. Les pales 4 sont par ailleurs décalées angulairement par rapport à la direction définie par l'axe de rotation 2 d'un angle de l'ordre de 5 à 15° dans le plan XY présenté aux figures 5 et 6. A titre indicatif, le diamètre de la base du tronc de cône servant à constituer le bord d'attaque 5 est de l'ordre de 0,25 fois la longueur de la pale 30 alors que le diamètre du sommet du tronc de cône servant à la réalisation du bord de fuite 6 est de l'ordre de 0,083 fois cette longueur. Le rotor ainsi constitué de ces pales 4 en rotation autour de l'axe 2 matérialisé par l'arbre 1 est utilisable notamment dans un dispositif de génération d'énergie électrique. Dans ce cadre, et tel que représenté notamment aux figures -4- 1 et 3, l'arbre du rotor est couplé à une génératrice 10 permettant de produire l'énergie électrique. L'ensemble est supporté par une base 7 reliée par des bras de support 12a, 12b d'orientation sensiblement verticale à des paliers avant 8 et arrière 9 guidant la rotation de l'arbre 1. La base 7 est elle-même avantageusement montée pivotante pour réaliser une fonction de girouette et s'adapter à la direction du vent lorsque l'écoulement fluidique est du type éolien. Un coffret électrique 11 est également représenté pour la commande de l'ensemble. Ce coffret peut être au pied du mât servant à élever l'éolienne si 10 nécessaire. Selon l'invention, la configuration du rotor est modifiable suivant la vitesse de l'écoulement fluidique. En particulier, l'obliquité des pales 4 est variable et avantageusement asservie à la vitesse de l'écoulement. La variation de l'obliquité des pales s'effectue préférentiellement dans le 15 plan YZ illustré aux figures 5 et 6 constitué par un plan sensiblement perpendiculaire au plan défini par les bords longitudinaux des pales. Toujours à titre préféré, pour des raisons d'équilibrage dynamique, la variation de l'obliquité est identique et simultanée pour chacune des pales 4. Différents moyens de variation de cette obliquité sont prévus. 20 En référence aux dessins, on a représenté un mode de réalisation dans lequel chaque pale 4 est reliée à l'arbre 1 par l'intermédiaire d'un organe d'accouplement 13 notamment par une articulation 18 en pivot. Cette articulation peut être réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif à axe fileté en outre éventuellement déplaçable dans un trou oblong formé sur la pale 25 de sorte à permettre également le réglage de l'obliquité selon une direction XY en référence aux figures 5 et 6. Plus en arrière du rotor, un organe d'accouplement 14 monté sur l'arbre 1 coopère avec des liaisons 15, 16, 17 connectant chacune l'organe d'accouplement 14 à une pale 4. De manière préférée, l'organe 14 fait office de 30 moyeu. A titre préféré, les extrémités de chaque liaison sont articulées en rotule par rapport à l'organe d'accouplement 14 et à l'extrados des pales 4. -5- Tel que schématisé, la variation de l'obliquité des pales 4 est produite par une variation de longueur des liaisons 15, 16, 17. A cet effet, chaque liaison peut comprendre un vérin électrique, pneumatique ou hydraulique et commandé. Suivant une solution alternative, l'organe d'accouplement 14 est déplaçable le long de l'arbre 1 de sorte à modifier l'inclinaison des liaisons 15, 16, 17 produisant un rapprochement ou un éloignement des bords de fuite 6 relativement à l'arbre 1. Bien que la commande puisse être manuelle, il est avantageux de prévoir des moyens automatiques aptes à produire la variation de l'obliquité des pales 4 de sorte que la vitesse de rotation soit quasi constante. A cet effet, l'installation comporte avantageusement des moyens de mesure de la vitesse de l'écoulement fluidique en particulier sous forme d'anémomètre dans le cas d'une installation éolienne. Ces moyens de mesure sont reliés à un circuit d'asservissement apte à produire un signal de sortie de commande des moyens de variation de l'obliquité. On comprend aisément que dès qu'une variation de vitesse est mesurée, la configuration du rotor est adaptée en particulier pour diminuer l'obliquité en cas de vent fort. Offrant alors moins de résistance à l'air, les pales 4 sont soumises à des contraintes mécaniques moindres que celles qu'elles auraient subies en restant dans une position plus oblique. A titre avantageux, l'obliquité est réglable entre 0 et 45°. Par ailleurs, les ordres de commande sont avantageusement acheminés par l'intermédiaire de l'axe de rotation 2 qui est creux. Outre la récupération optimale de l'énergie du fluide, quelque soit la force de l'écoulement, l'invention permet une plus grande sécurité en faisant tendre l'angle d'obliquité vers 0. On peut également y associer un frein 19 à disque à commande hydraulique ou mécanique installé en bout d'arbre 1 sous le vent. On évite également les vibrations mécaniques incontrôlées qui peuvent se produire actuellement si la vitesse de rotation est excessive. On constate par ailleurs un abaissement du niveau sonore grâce à une vitesse de rotation quasi-constante. Cette constance améliore par ailleurs la fiabilité de l'ensemble. Les figures 8 et 9 montrent une variante de réalisation des bordures extérieures aval 21 et amont 20 rallongées par rapport au plan (x, z). Dans l'exemple précis précédemment décrit, par vent moyen, l'obliquité pourra prendre une valeur d'environ 30°. A cette valeur, le bord d'attaque sera dans un plan contenant la perpendiculaire à la pale passant par l'axe de rotation et faisant un angle de 25° avec cet axe et ce, en avant de la pale. Ceci a pour effet de rallonger la bordure extérieure de la pale et augmente ainsi la surface efficace de la pale 4 de l'ordre de 6% ce qui contribue encore à améliorer le rendement énergétique. REVENDICATIONS 1. Rotor pour générateur d'énergie à partir d'un écoulement fluidique comportant une pluralité de pales (4) orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de variation de l'obliquité des pales (4). 2. Rotor selon la revendication 1 dans lequel les moyens de variation sont commandés de sorte à asservir l'obliquité des pales (4) à la vitesse de l'écoulement fluidique. 3. Rotor selon la revendication 2 comportant des moyens de mesure de la vitesse de l'écoulement fluidique. 4. Rotor selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pales (4) ont une forme globalement semi conique. 5. Rotor selon la revendication 4 dans lequel l'obliquité des pales (4) est 15 variable dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan défini par les bords longitudinaux des pales (4). 6. Rotor selon l'une des revendications précédentes comportant un arbre (1) suivant l'axe du rotor et des moyens de liaison entre l'arbre (1) et chaque pale (4). 20 7. Rotor selon la revendication 6 dans lequel les moyens de liaison comportent, pour chaque pale (4), une articulation (18) à proximité du bord d'attaque (5) de la pale (4) et au moins une liaison (15, 16, 17) aval variable. 8. Rotor selon la revendication 7 dans lequel les moyens de variation comportent des moyens de modification de la longueur des liaisons (15,16, 17) 25 aval. 9. Rotor selon la revendication 7 dans lequel les moyens de variation comportent des moyens de modification de la position des liaisons (15, 16, 17) le long de l'arbre (1). 10. Rotor selon une quelconque des revendications précédentes 1 à 9 dans 30 lequel l'obliquité des pales (4) est variable entre 0 et 45°. 11. Rotor selon l'une des revendications précédentes dans lequel le bord d'attaque (5) des pales (4) forme un angle compris entre 20 et 30° vers l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales (4). 12. Rotor selon l'une des revendications précédentes dans lequel le bord de fuite (6) des pales (4) forme un angle compris entre 20 et 30° à l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales (4). 13. Dispositif de génération d'énergie électrique comportant une génératrice (10) 5 couplée à au moins un rotor selon l'une des revendications 1 à 12.