Brevet FR2985787A1 — publié le 20130719

-1- La présente invention concerne un dispositif constituant une aube de rotor de type Darrieus et permettant d'obtenir une géométrie d'aube et une résistance mécanique optimale. Les turbines de type Darrieus sont pourvues d'aubes tournant autour d'un axe globalement orthogonal au plan du champ des vecteurs vitesse du flux du fluide. La vitesse des aubes en rotation est supérieure à celle du flux. Pour des vitesses de fluide de 10m/s, l'ordre de grandeur des vitesses d'aube est de 30m/s pour atteindre un rendement opportun. Cela implique des efforts centrifuges importants, qui peuvent atteindre plusieurs centaines de G; et agissant en flexion sur les aubes. La conception des aubes nécessite une grande résistance et une masse réduite, ce qui rend leur fabrication complexe. Pour des raisons aérodynamiques, la forme des aubes la plus souvent recherchée est une forme globalement d'arc d'ellipse. Cette forme permet de conserver une distance de l'aube à l'axe de rotation globalement constante, et donc une vitesse relative du fluide par rapport à l'aube identique le long de l'aube. L'aube sera nécessairement vrillée sur elle-même, de façon à garantir un angle d'attaque adéquat de la vitesse relative du fluide sur l'aube. Cette forme courbe et d'aube vrillée, combinée aux besoins de légèreté et de résistance, réduisent le champ des procédés de fabrication industrialisable en production reproductible. Les solutions existantes consistent à former des aubes en matériau composite moulé, ou à cintrer des profilés aluminium, ou à maintenir un extrudé vrillé. Ces différentes techniques présentent des problématiques respectivement industrielles, de tenue mécanique, ou d'effort de précontraintes dans la structure. La présente invention présente une architecture d'aube et un assemblage de composant constituant le dit dispositif. L'aube est constituée d'une part d'une âme rectiligne, combinant résistance et légèreté. Cette âme pourra être en matériau composite et de type pultrudé, garantissant légèreté et résistance de façon industriellement reproductible. D'autre part, l'aube est constituée d'un habillage de forme aérodynamique recherchée, et de module d'Young suffisamment faible pour permettre le vrillage de l'aube le long de l'âme. L'habillage aérodynamique est monté sur l'âme. Cette partie pourra être en matériau thermoplastique amorphe obtenu par extrusion, permettant un vrillage par simple effet mécanique ou thermique, et garantissant une fabrication reproductible. L'aube est montée sur au moins deux supports décalés d'un angle a par rapport à l'axe de rotation. Sous l'effet de la force centrifuge due à la rotation du rotor, l'aube présentera une flèche, permettant ainsi de réaliser la courbure de l'aube à partir de l'âme -2- rectiligne, et d'obtenir la forme proche de l'arc d'ellipse recherché. La raideur de l'aube et l'angle a permettent d'obtenir une forme optimale pour un certain niveau de force centrifuge, dépendant de la vitesse de rotation. La présente invention nécessite de sélectionner correctement l'inertie mécanique de l'aube, l'angle alpha et la vitesse de rotation correspondant au point de fonctionnement recherché du rotor de type Darrieus. Selon les modes particuliers de réalisation : L'habillage pourra être maintenu sur l'âme en position vrillée tout au long de l'âme, par collage. L'habillage pourra être maintenu sur l'âme en position vrillée tout au long de l'âme, par insertion de mousse dans les espaces entre l'habillage et l'âme. L'habillage pourra être maintenu sur l'âme en position vrillé par deux points de fixation, à chaque extrémité. L'habillage pourra être maintenu en une seule extrémité, le vrillage étant assuré par l'effet centrifuge sur l'habillage. Les dessins annexés présentent l'invention : La figure 1 représente un rotor de type Darrieus à aubes en forme d'arc d'ellipse vrillé. La figure 2 représente ce même rotor, vu de dessus La figure 3 présente les éléments constitutifs de l'aube de rotor La figure 4 représente une coupe de l'âme La figure 5 représente une coupe de l'habillage La figure 6 représente une coupe de l'habillage vrillé La figure 7 représente une coupe de l'assemblage constitué La figure 8 représente la structure de rotor. La figure 9 représente cette même structure vue de dessus La figure 10 représente la forme du rotor à l'arrêt La figure 11 représente ce même rotor à l'arrêt vu de dessus La figure 12 représente la forme du rotor en rotation La figure 13 représente ce même rotor en rotation vu de dessus La figure 14 représente une aube statique La figure 15 illustre la flèche de l'aube en rotation La figure 16 illustre la relation entre la flèche et l'angle a La figure 17 représente la présentation des éléments avant collage. -3- La figure 18 représente cette même présentation vue de dessus La figure 19 représente la mise en place définitive des éléments lors du collage La figure 20 représente cette même mise en place défmitive vue de dessus La figure 21 représente une proposition de montage de l'habillage sur l'âme (par insertion de mousse). La figure 22 représente une proposition de montage de l'habillage sur l'âme (par fixation en une seule extrémité). La figure 23 représente cette même proposition vue de dessus La figure 24 représente cette proposition de montage lors de la mise en rotation du rotor 10 La figure 25 représente ce même agencement en rotation vu de dessus. En référence à ces dessins, l'invention comporte une âme (1), sur laquelle est monté un habillage aérodynamique de section recherchée (2). L'habillage pourra être monté de façon fixe sur l'âme, comme présenté dans les figures 17 à 20. Un cordon de colle (6) est placé sur un des deux éléments avant l'assemblage. La forme de l'habillage (2) permet une présentation 15 des deux éléments sans altérer le cordon de colle. L'habillage (2) est vrillé avant (3) ou pendant la phase d'assemblage. Par un mouvement de l'âme (1) telle qu'une rotation, le cordon de colle vient au contact des deux éléments, et le film de colle (7) vient maintenir les deux éléments en positon, constituant ainsi une aube rectiligne et vrillée (4). Plus précisément, l'âme (1) et l'habillage (2) sont maintenus solidairement par un 20 collage continu. Le dit collage est permis par une gorge laissée libre dans l'habillage, permettant de réaliser un cordon de colle (6) et de présenter les deux éléments sans altérer le cordon. Un déplacement relatif des deux éléments tel qu'une rotation finale permettra de générer le film de colle (7) entre les deux éléments. Le vrillage de l'habillage pourra être réalisé lors de ce dernier mouvement relatif. 25 Une ou plusieurs aubes ainsi réalisées (4) sont montées sur une structure (5) dont au moins les supports (8) et (9) sont décalés d'un angle a. L'aube constitue un segment de droite entre les deux supports (8) et (9). La distance entre l'aube et l'axe varie le long de l'aube. Lorsque le point de départ et d'arrivée sont à une distance identique D, l'aube se rapproche en son milieu de l'axe d'une valeur de 30 D(1-cos(a/2)) représenté en (10). Lorsque le rotor est en rotation à une vitesse o.), l'effort linéaire appliqué sur l'aube est du type Rco2M1 avec Ml la masse linéaire de l'aube (4), et R la distance entre le point de l'aube et l'axe du rotor. Cet effort est radial, et va entrainer une flexion de l'aube, -4- atteignant une flèche (11) dépendant de l'inertie de l'aube (4), de son encastrement sur les supports (8) et (9), et de sa longueur. Pour une vitesse de rotation donnée, une section d'aube donnée et une longueur, on peut déterminer la flèche de l'aube (11), et en conséquence choisir un angle a telle que cette flèche soit proche de D(1-cos(a/2)) (10). La forme de l'aube soumise à son effet centrifuge prend la courbure proche de l'ellipse recherchée. D'autres procédés de montage de l'aube sont envisageables, comme représenté en figure 7. L'utilisation de mousse (12) pour coller l'âme (1) à l'habillage (2) permet de maintenir les deux composants solidaires en renforçant mécaniquement l'habillage contre les chocs. Plus précisément, l'habillage (2) est collé sur l'âme(1) par une mousse (12) type injectée ou expansée dans les interstices laissés libres entre les deux éléments. La figure 8 présente une alternative à la fixation de l'habillage sur l'âme : en fixant localement l'habillage en une de ses extrémités (13), et en le laissant libre de torsion sur le reste de la longueur, on peut, via un pivot permis par l'âme, obtenir la torsion de l'habillage sous l'effet du couple généré par l'effort centrifuge F sur le centre de gravité G de l'habillage (2), pour autant que celui-ci soit décalé par rapport au pivot constitué par l'âme. Le couple résistant en torsion de l'habillage et le couple de torsion induit par l'effet centrifuge doivent se compenser pour permettre une mise en torsion adéquate. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté aux turbines de type 20 Darrieus appliquées aux éoliennes. 25 30 REVENDICATIONS1) Dispositif constituant une aube de rotor de type Darrieus caractérisé en ce qu'il comporte une âme rectiligne (1) et un habillage aérodynamique (2) vrillé sur l'âme. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aube ainsi constituée (4) soit montée sur au moins deux supports (7) et (8) décalés d'un angle par rapport à l'axe de rotation du rotor. 3) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que la mise en rotation du rotor à un certain régime de rotation entraine une flexion (11) compensant le décalage (10) de l'aube, induisant ainsi une géométrie optimisée proche d'un arc d'ellipse. 4) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisée en ce que l'âme (1) et l'habillage (2) sont maintenus solidairement par un collage continu. Le dit collage est permis par une gorge laissée libre dans l'habillage, permettant de réaliser un cordon de colle (6) et de présenter les deux éléments sans altérer le cordon. Un déplacement relatif des deux éléments tel qu'une rotation fmale permettra de générer le film de colle (7) entre les deux éléments. Le vrillage de l'habillage pourra être réalisé lors de ce dernier mouvement relatif. 5) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'habillage (2) est collé sur l'âme(1) par une mousse (12) type injectée ou expansée dans les interstices laissés libres entre les deux éléments. 6) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'habillage (2) est fixé 20 en partie haute et basse d'aube seulement. La torsion de l'habillage est assurée par une mise en forme préliminaire et définitive, ou une torsion de l'habillage avant fixation. 7) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'habillage (2) est enfilé sur l'âme (1) et fixé d'un seul côté seulement (13). Le vrillage de l'aube est obtenu par effet de la force centrifuger sur l'habillage. L'âme assure une liaison de type pivot tout au 25 long de l'aube, de façon à permettre une torsion de l'âme sous l'effort centrifuge. 30