Brevet FR2932232A1 — publié le 20091211

Le dispositif selon l'invention est un rotor éolien ou hydraulique à axe vertical ou, dans un cas plus général, à axe perpendiculaire au sens du fluide le traversant. Ce dispositif améliore les performances des rotors éoliens à axes verticaux, en particulier les rotors conçus selon des voilures rigides à surface gauche s'enroulant en hélicoïde autour d'un tube central qu'elles entraînent en rotation Les différents modèles de rotors éoliens à voilures hélicoïdales connus fonctionnent de manière satisfaisante et ont tendance à ro réhabiliter peu à peu les rotors à axe vertical abandonnés au profit de l'hélice classique à axe horizontal pour plusieurs raisons : - leur poids et leur encombrement - le haubanage nécessaire à leur maintient - le roulement butée supportant leur poids qu'il faut changer 15 fréquemment en démontant le rotor - leur traînée au vent - leur couple faible - le démarrage difficile par vent faible Il n'empêche que la traînée au vent générée par ces systèmes de 20 rotors à voilure hélicoïdale est importante et que le couple qu'ils produisent reste relativement faible. Le dispositif selon l'invention a pour ambition d'améliorer les performances et de réduire les coûts de ce genre de rotor éolien à voilure de forme hélicoïdale. 25 Pour ce faire, le dispositif selon l'invention est un rotor se présentant sous la forme d'une bande déployée en hélicoïde à génératrices parallèles à l'axe vertical central (c'est-à-dire inscriptible dans un cylindre) autour d'un tube central qu'elle entraîne en rotation. 30 Cette bande est découpée en une suite de lames souples élastiques destinées à être ployées individuellement en va-et-vient selon la direction et la force du fluide qui les percute Outre la légèreté et le silence de fonctionnement qui le caractérise, le dispositif de rotor selon l'invention présente les avantages supplémentaires suivants: - absence de roulement de butée - une esthétique d'ensemble certaine - une possibilité d'industrialisation par assemblage d'éléments modulaires. Ainsi, le tube central coulissera-t-il longitudinalement tout en étant guidé en rotation sur un second tube fixe tenant lieu de lo support à l'ensemble du rotor en étant maintenu en sustentation magnétique depuis la partie haute de celui-ci. Par ailleurs, chaque lame galbée peut être une entité libre et fonctionner indépendamment de ses voisines en appartenant à un ensemble préfabriqué constitué d'un assemblage de trois 15 éléments : une lame, un bras de liaison et un manchon. Ces éléments préfabriqués sont fixés par leur manchon sur le tube central en étant décalés les uns des autres d'un angle au centre régulier. Les éléments ainsi étagés les uns sur les autres reconstituent dans leur ensemble la bande hélicoïdale. 20 Le dispositif de rotor selon l'invention se compose, dans sa forme la plus générale : - d'un premier tube central fondé au sol porteur de l'ensemble du rotor - d'un second tube entourant le premier de façon coaxiale, ce 25 second tube étant guidé en rotation sur le premier tout en pouvant coulisser librement longitudinalement sur celui-ci, - d'une bande hélicoïdale motrice liée au tube central par des bras et découpée en une suite de lames pouvant être indépendamment ployées en va-et-vient selon la direction et la force du fluide qui 30 les percute. Des moyens permettent à l'ensemble du rotor d'être maintenu en sustentation magnétique depuis la partie haute du premier tube central le supportant. Les lames pivotent chacune indépendamment en va-et-vient 35 selon : a) une première variante dans laquelle chaque lame pivote depuis l'une de ses extrémités restée solidaire de la bande hélicoïdale, et ce par la seule propriété d'élasticité du matériau dont elle est composée. b) une deuxième variante dans laquelle chaque lame est désolidarisée de la bande hélicoïdale en restant liée à celle-ci par l'un de ses cotés au moyen de charnières assurant son pivotement va-et-vient. Ces charnières sont des enroulements spiralés assurant une grande 1 o souplesse de pivotement va-et-vient des voiles en fonctionnant par la simple élasticité du matériau dont ces enroulements sont composés. La disposition hélicoïdale permet aux lames se présentant au vent de ne pas déventer les lames diamétralement opposées placées sous 15 le vent au fur et à mesure de la rotation de l'ensemble du rotor grâce à leur différence de hauteurs les unes par rapport aux autres. Le pivotement va-et-vient élastique avec retour en position médiane au repos permet aux lames se présentant au vent d'être sollicitées et ployées selon un premier sens � aller � en apportant 20 de ce fait une première force tangentielle provoquant la rotation de l'ensemble du rotor. Les lames diamétralement opposées placées sous le vent sont ployées selon un deuxième sens � retour � en apportant ainsi une deuxième force tangentielle venant s'ajouter à la première au fur et à mesure de la rotation de l'ensemble des 25 lames et des différentes positions prises par chacune d'elles par rapport au vent. Grâce à ses déformations successives et de sens contraires, chaque lame a une période active importante au cours de ses rotations d'un tour complet. De plus, elle présente une traînée minimale lors de sa 30 remontée au vent. Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif comprend : - un support constitué d'un premier tube vertical fixe centré sur l'axe général du dispositif, - un second tube entourant de façon coaxiale le premier tube et suspendu par répulsion magnétique avec celui-ci depuis sa partie haute. Ce second tube est monté libre au coulissement longitudinal sur le premier tube fixe tout en étant guidé en rotation sur celui-ci. - une bande hélicoïdale développée autour du second tube et lié à celui-ci par plusieurs bras. Cette bande est découpée en une suite de laines souples élastique animées d'un mouvement alternatif va-et-vient selon la force et la 1 o direction du vent. Elle est rigidifiée selon un tracé linéaire épargné par ces découpes Par ailleurs, les possibilités d'envisager le dispositif selon l'invention ne se limitent pas à ce précédent cas de figure supposé se trouver au sol. 15 Le second tube lié aux lames peut être en particulier : - monté et guidé en rotation en par -de haute sur un tube placé dans l'axe solidairement à une sphère flottant sur l'eau et lestée en partie basse. Cette sphère est éventuellement entraînée elle-même en rotation par le dispositif soumis au vent et tient lieu de volant 20 d'inertie à l'ensemble du rotor. - monté et guidé en rotation sur un tube placé solidairement en partie basse dans l'axe d'un ballon gonflé à l'hélium lévitant en altitude. Ce ballon est éventuellement entraîné lui-même en rotation par le dispositif soumis au vent et tient lieu de volant 25 d'inertie à l'ensemble du rotor. Il est relié au sol : a) par une ficelle tenue par un enfant dans le cas d'un jouet. b) à l'échelle d'un projet industriel, par des câbles de maintient et par une transmission souple destiné à entraîner la rotation d'appareillages techniques de transformation situés au sol. 3o Pour ordre de grandeur, un ballon de 6 mètres de diamètre gonflé à l'hélium est soumis à une poussée de bas en haut d'environ 100 kg (en altitude moyenne et hors poids de l'enveloppe). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels : La figure 1 représente en perspective le principe du dispositif comprenant une bande hélicoïdale rigidifiée en sa partie linéaire centrale et découpée en deux rangées de lames indépendantes liées à cette bande par des charnières va-et-vient. La figure 2 représente une section horizontale du rotor avec indication des diverses sollicitations à la déformation de chacune d'un exemple de 12 lames selon leur position par rapport à la direction du vent. La figure 3 représente en coupe verticale le principe de sustentation magnétique du tube central en partie haute du dispositif. La figure 4 représente une vue en plan d'un ensemble de trois rotors selon le dispositif reliés entre eux et disposés en triangle La figure 5 représente le dispositif entraînant en rotation une sphère flottante. La figure 6 représente le dispositif entraînant en rotation un ballon gonflé à l'hélium sous forme de jouet. La figure 7 représente en perspective une possibilité d'industrialisation du dispositif. La figure 8 représente vu en plan un élément constitué d'un assemblage �lame, bras, manchon� relatif à cette industrialisation. En référence à ces dessins 1 à 8, le dispositif comprend : - un premier tube fixe (1) porteur de l'ensemble du rotor, - un second tube (2) libre en course longitudinale sur le tube (1) et guidé en rotation sur celui-ci, - une première série d'aimants permanents disposés selon une première couronne (3) en présentant tous des faces de même pôle 3o disposée en partie haute du premier tube (1) et solidaire de celui-ci, - un manchon (4) en matériau amagnétique solidaire du second tube (2) et entourant la première couronne (3) sans contact avec celle-ci, - Une deuxième série d'aimants permanents de même nombre que ceux de la première couronne (3) disposés en une deuxième couronne (5) en présentant tous des faces de pôles identiques aux faces des aimants de la première couronne (3), cette couronne (5) étant fixée en face inférieure d'un chapeau (6) venant couvrir solidairement le manchon (4), - Un premier organe de guidage en rotation (7) monté coulissant entre le tube (1) et le tube (2) par l'intermédiaire de deux bagues (8) et (9), - Un deuxième organe de roulement (non représenté) monté en partie basse du dispositif selon les mêmes critères que ceux appliqués à l'organe (7), - Une bande développée en hélicoïde (10) autour du second tube (2) et lié à celui-ci par des bras (Il), (12),... - Des lames (15), (16),...galbées selon la surface cylindrique définie par la forme hélicoïdale de la bande (10), équipées chacune à son extrémité d'un becquet (17) et liées à cette bande par des charnières (18), (19),...assurant un pivotement va-et-vient souple et sensible des lames. La bande hélicoïdale et les lames découpées qu'elle porte, pour des raisons d'équilibrage de l'ensemble du rotor, présente dans sa linéarité un nombre juste de révolutions à 360°. Le becquet (17) affectant chaque lame a pour fonction de saisir le vent et de provoquer un changement rapide et anticipé de sens de prise au vent entre le pivotement � aller � et le pivotement � retour � au moment opportun visible sur le secteur situé à droite de la vue en plan de la figure 2. La figure 2 présente en section horizontale un exemple de 12 lames nommées de A à L, dessinées selon la deuxième variante avec charnières de liaison, formant une révolution complète à 360°. Les positions médianes de repos de chacune des lames sont indiquées en traits pointillés et des traits forts continus représentent les diverses déformations prises par chacune de ces dites lames par l'action du vent dirigé de bas en haut et indiqué V sur le dessin. Des vecteurs rl, r2, r3,...r7 indiquent les forces résultantes de l'action du vent sur chacune des lames A, B, E, F, G, K, L et leur implication sur la rotation de l'ensemble. Il apparaît que ces dites lames sont actives clans un secteur de 210° 5 supérieur à la moitié des 360° de révolution complète. Les lames C, D, H, I et J ont une action neutre. Le bilan général apparaît incontestablement positif. II est important que les lames soient les plus légères possible de manière à ce que la force centrifuge exercée sur chacune d'elles 10 lors de la rotation de l'ensemble perturbe le moins possible leurs contraintes de déformation apportées par le vent. La bande hélicoïdale et les lames sont prévues en matériaux légers, par exemple des matériaux composites moulés selon une première couche de gel-coat de contact avec un moule et plusieurs couches 15 de tissus de fibres de verre fixées entre elles par imprégnation de résine. L'ensemble ainsi formé n'aura aucune peine à être maintenu en sustentation magnétique avec les aimants néodyme disponibles actuellement. Pour ordre de grandeur, un aimant de ce type o 30mm. et d'une 20 épaisseur de 9mm. a une force de répulsion de 14,5 kg. Réunis en une couronne de 6 aimants cylindriques tangents entourant, le cas échéant, un aimant central, cela fait 7 unités dispensant chacune 14,5 kg. soit un total de 101,5 kg. à multiplier par 2 compte tenu du fait qu'il y a 2 couronnes se repoussant 25 réciproquement. Cette sustentation à fort champ magnétique est prévue en partie haute du dispositif pour ne pas perturber l'appareillage et la génératrice se trouvant au sol. Le coulissement longitudinal du second tube (2) sur le premier tube 3o (1) est indispensable pour permettre à l'ensemble du rotor soumis à la suspension magnétique de trouver librement sa place en hauteur en fonction des variations de poids dont il peut faire l'objet suite aux diverses intempéries (pluie, givre,...). Le poids du rotor n'est en aucun cas supporté par les organes de guidage latéral au 35 roulement (7,...). 2932232 s La figure 3 fait état d'une solution mécanique possible pour assurer ce coulissement et ce guidage en rotation du tube (2) sur le tube (1). Un organe de roulement (7) tel que bague auto lubrifiée, roulement à billes ou à aiguilles,.... est monté intérieurement serré s sur une première bague (8) solidaire du tube (1). Ce roulement (7) est ajusté coulissant sur une deuxième bague (9) extérieure solidaire du tube (2). Il peut être prévu une troisième bague (non représentée) intermédiaire entre le roulement (7) et la bague (9). Cette troisième lo bague assurerait le coulissement sur la deuxième bague (9). Ce dispositif de rotor peut se trouver très économique par une industrialisation avantageuse dans le cas des ensembles préfabriqués décrits ci-dessus (fig. 7 et 8). Le dispositif ainsi conçu en éléments préfabriqués (15, 11 et 20) 15 est mis en oeuvre de la même manière que les éléments préfabriqués d'un escalier hélicoïdal à noyau central. Dans ce dernier cas de figure, les lames présentent une première partie de leur linéaire galbé selon le rayon de l'hélicoïde de la bande reconstituée, et une seconde partie droite tangente à la partie 20 galbée et tenant lieu de becquet (7) de prise au vent comme il est évoqué plus haut. Cette partie droite peut, le cas échéant, être conçue plus souple (moindre épaisseur par exemple) que la partie galbée pour provoquer une courbure de déformation plus prononcée aux 25 extrémités des lames et apporter aux vecteurs rl, r2, r3...r7 cités plus haut une meilleure efficacité, améliorant ainsi les performances du couple appliqué à l'ensemble du rotor. Le second tube (2) entraîné en rotation est relié en partie basse à un dispositif de multiplication de sa vitesse de rotation entraînant en 3o sortie un volant d'inertie monté sur un roulement irréversible entraînant lui-même en vitesse rapide et régulée une génératrice. Le rotor selon l'invention, par son esthétique et sa modularité, peut parfaitement allier la fonction de mobile ornemental à ses capacités propres à fournir de l'énergie. -) Les artistes et designers trouveront un intérêt certain à travailler les formes de ce rotor éolien. Pour pallier la déformation appliquée sur le premier tube (1) porteur central due aux efforts du vent dans le cas d'une unité isolée, il est souhaitable de disposer, par exemple, trois unités de ce rotor liées entre elles selon un triangle équilatéral (figure 4) assurant une rigidité de l'ensemble en permettant de réduire considérablement les section des éléments d'ossature et le diamètre des trois tubes fixes porteurs. lo Le dispositif de rotor selon l'invention, bien que destiné principalement à de petites unités éoliennes ne dépassant pas 10 mètres de hauteur, n'est pas limitatif dans cette échelle de grandeur et peut se concevoir en mobile publicitaire et artistique, voire à l'échelle du jouet comme le montrent les figures 5 et 6. REVENDICATIONS1) - Dispositif de rotor éolien ou hydraulique à axe vertical fonctionnant par l'action d'une bande hélicoïdale (10) à génératrices parallèles au dit axe vertical déployée autour d'un tube (2) qu'elle entraîne en rotation, caractérisé en ce que cette bande est découpée en une suite de lames souples élastiques (15, 16,...) ployées individuellement en va-et-vient par la force du fluide qui les percute. 2) ù Dispositif de rotor selon la revendication 1) caractérisé en ce que chaque lame pivote depuis l'un de ses cotés resté solidaire de la bande par la seule propriété d'élasticité du matériau dont elle est composée. 3) ù Dispositif de rotor selon la revendication 1) caractérisé en ce que chaque lame est désolidarisée de la bande en restant liée à celle-ci par l'un de ses cotés au moyen de charnières (18, 19,...) assurant son pivotement va-et-vient. 4) ù Dispositif de rotor selon les revendications 1) et 3) caractérisé en ce que les charnières va-et-vient sont des enroulements spiralés fonctionnant par la simple élasticité du matériau dont ils sont composés 5) - Dispositif de rotor selon la revendication 1) caractérisé en ce que chaque lame est galbée et fonctionne indépendamment de ses voisines en appartenant à un ensemble préfabriqué constitué d'un assemblage à trois éléments : la lame (15), un bras de liaison (11) et un manchon (20). 6) - Dispositif de rotor selon la revendication 1) et 5) caractérisé en ce que les élément préfabriqués sont fixés par leur manchon sur le tube central (2) en étant décalés les uns des autres par un angle au centre régulier, l'ensemble reconstituant le ruban hélicoïdal (10). 7) - Dispositif de rotor selon la revendications 1) caractérisé en ce que le tube central (2) coulisse longitudinalement librement autour d'un tube fixe (1) tenant lieu de support en étant maintenu en sustentation magnétique depuis la partie haute de celui-ci. 8) - Dispositif de rotor selon la revendications 1) caractérisé en ce que le dispositif de rotor est placé en partie haute dans l'axe d'une sphère flottante lestée 9) - Dispositif de rotor selon la revendication 1) caractérisé en ce que le dispositif de rotor est placé en partie basse dans l'axe d'un 10 ballon lévitant en altitude.