Brevet FR3023580A1 — publié le 20160115

La présente invention concerne un rotor pour une machine tournante telle qu'une hydrolienne ou une éolienne, ainsi qu'une machine tournante comportant un tel rotor. Il existe des rotors du type Darrieus qui comportent un arbre à axe de rotation vertical et un certains nombre de pales équidistantes de l'axe de rotation, fixées à l'arbre et réparties angulairement les unes à la suite des autres autour de l'arbre. Les pales présentent une couverture angulaire relativement réduite et sont espacées les unes des autres ce qui crée des espaces vides entre deux pales consécutives. Du fait de ces espaces vides, la rotation du rotor sous l'action d'un fluide en mouvement s'effectue par à coups ce qui peut, à termes, endommager les éléments du rotor et plus particulièrement les organes de roulement. Un objet de la présente invention est de proposer un rotor pour une machine tournante qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur et qui en particulier permet d'obtenir la suppression des fluctuations du couple. A cet effet, est proposé un rotor pour une machine tournante disposée dans un fluide en mouvement, ledit rotor comportant : - un arbre mobile en rotation autour de son axe, - au moins trois ensembles de pales répartis angulairement autour de l'arbre et fixés à l'arbre, chaque ensemble présente une pale intérieure disposée la plus proche de l'arbre, une pale extérieure disposée la plus loin de l'arbre et une pale intermédiaire disposée entre la pale intérieure et la pale extérieure, chaque pale présente dans le plan perpendiculaire à l'axe, un profil d'aile dont l'intrados est orienté vers l'axe, chaque pale présente un bord d'attaque et un bord de fuite et la distance entre l'axe et le bord d'attaque est supérieure à la distance entre l'axe et le bord de fuite, le bord d'attaque de la pale intérieure est en aval par rapport à une ligne amont passant par l'axe et par le bord d'attaque de la pale intermédiaire et le bord d'attaque de la pale extérieure est en amont par rapport à la ligne amont, et le bord de fuite de la pale intérieure est en aval par rapport à une ligne aval passant par l'axe et par le bord de fuite de la pale intermédiaire et le bord de fuite de la pale extérieure est en amont par rapport à la ligne aval. Avantageusement, l'orientation de chaque pale est telle que, lorsque la pale est en mouvement dans le même sens que le flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale ne passe pas par l'axe, et l'orientation de chaque pale est telle que, lorsque la pale est en mouvement dans le sens contraire à celui du flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale passe par l'axe. Avantageusement, la différence entre la distance entre l'axe et le bord d'attaque et la distance entre l'axe et le bord de fuite diminue de la pale intérieure vers la pale extérieure. Avantageusement, l'angle entre la droite passant par l'axe et le bord d'attaque de la pale extérieure et la droite passant par l'axe et le bord de fuite de la pale intérieure est de l'ordre de 97,30 . Avantageusement, la corde de chaque pale répond à la formule: Corde = 108% de D, où D est le diamètre de l'arbre. Avantageusement, l'angle entre la droite passant par l'axe et par le bord d'attaque de la pale intérieure et la droite amont est au minimum de 8,9°, et l'angle entre la droite passant par l'axe et par le bord d'attaque de la pale extérieure et la droite amont est au minimum de 14,7°. Avantageusement, la distance entre l'axe et le bord d'attaque de la pale intérieure est de l'ordre de 104% de D, la distance entre l'axe et le bord d'attaque de la pale intermédiaire est de l'ordre de 133% de D, et la distance entre l'axe et le bord d'attaque de la pale extérieure est de l'ordre de 163% de D. Avantageusement, le plan contenant l'axe et le bord d'attaque de la pale intérieure et le plan contenant le bord d'attaque de la pale intérieure et le bord de fuite de la pale intérieure forment un angle de l'ordre de 38,5°, le plan contenant l'axe et le bord d'attaque de la pale intermédiaire et le plan contenant le bord d'attaque de la pale intermédiaire et le bord de fuite de la pale intermédiaire forment un angle de l'ordre de 52,5°, et le plan contenant l'axe et le bord d'attaque de la pale extérieure et le plan contenant le bord d'attaque de la pale extérieure et le bord de fuite de la pale extérieure forment un angle de l'ordre de 60,2°. L'invention propose également une machine tournante comportant un générateur électrique comportant un rotor de générateur et un stator de générateur et un rotor selon l'une des variantes précédentes entraînant en rotation le rotor de générateur. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec la Fig. unique qui représente une vue de dessus d'un rotor selon l'invention. La Fig. unique montre un rotor 100 pour une machine tournante du type hydrolienne ou éolienne. La machine tournante comporte également un générateur électrique comportant un rotor de générateur et un stator de générateur et où le rotor de générateur est entraîné en rotation par le rotor 100. Le rotor 100 présente un arbre 102 mobile en rotation autour de son axe 104. Le rotor 100 est plongé dans un fluide en mouvement représenté par les flèches 10 qui entraîne le rotor 100 en rotation. Le fluide est typiquement de l'eau ou de l'air. L'axe 104 peut prendre différentes orientations et être placé horizontalement, verticalement ou en diagonalement dans le flux du fluide. Le rotor 100 présente au moins trois ensembles de pales 106a-c régulièrement répartis angulairement autour de l'arbre 102 et chaque ensemble 106a-c est fixé à l'arbre 102. Chaque ensemble 106a-c présente une pale intérieure 108a, une pale intermédiaire 108b et une pale extérieure 108c. La description qui suit est appliquée au premier ensemble de pales 106a mais elle s'applique de la même manière aux autres ensembles 106b-c. La pale intérieure 108a est disposée la plus proche de l'arbre 102, la pale extérieure 108c est disposée la plus loin de l'arbre 102 et la pale intermédiaire 108b est disposée entre la pale intérieure 108a et la pale extérieure 108c. Chaque pale 108a-c présente dans le plan perpendiculaire à l'axe 104, un profil d'aile dont l'intrados est orienté vers l'axe 104 et chaque pale 108a-c s'étend sur une certaine longueur le long de l'axe 104. La longueur de l'arbre 102 et des pales 108a-c détermine l'allongement du rotor et est définie au regard de la nature du fluide (densité, vitesse,...). Chaque profil est ici un profil du type Eiffel, dont le creux de chaque pale 108a- c est de 10% de la valeur de la corde de la pale 108a-c. Mais il est possible d'utiliser des pales 108a-c de profil différent comme par exemple de type NACA. Les centres de courbure des trois pales 108a-c ne sont pas confondus entre eux ni avec le centre de l'arbre 102. En d'autres termes, l'arbre 102 et les pales 108a-c ne sont pas concentriques. Chaque pale 108a-c présente un bord d'attaque 110a-c par lequel le fluide attaque ladite pale 108a-c pour la faire tourner, et un bord de fuite 112a-c par où le fluide s'échappe. Dans le plan perpendiculaire à l'axe 104, et pour chaque pale 108a-c, la distance entre l'axe 104 et le bord d'attaque 110a-c est supérieure à la distance entre l'axe 104 et le bord de fuite 112a-c. Ainsi, chaque pale 108a-c présente une orientation qui tend à resserrer le bord de fuite 112a-c contre l'arbre 102. Pour couvrir un angle plus important, les pales 108a-c se recouvrent. Le bord d'attaque 110a de la pale intérieure 108a est en aval par rapport à la ligne amont 114 passant par l'axe 104 et par le bord d'attaque 110b de la pale intermédiaire 108b et le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c est en amont par rapport à la ligne amont 114. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'angle entre la droite passant par l'axe 104 et par le bord d'attaque 110a de la pale intérieure 108a et la droite amont 114 est au minimum de 8,9°, et l'angle entre la droite passant par l'axe 104 et par le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c et la droite amont 114 est au minimum de 14,7°. De la même manière, le bord de fuite 112a de la pale intérieure 108a est en aval par rapport à la ligne aval 116 passant par l'axe 104 et par le bord de fuite 112b de la pale intermédiaire 108b et le bord de fuite 112c de la pale extérieure 108c est en amont par rapport à la ligne aval 116. Un tel rotor permet d'avoir une couverture angulaire plus importante qui limite les fluctuations du couple lors de la rotation du rotor 100. De surcroît, l'augmentation de la surface alaire accroît la puissance du rotor. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté ici, la différence entre la distance entre l'axe 104 et le bord d'attaque 110a-c et la distance entre l'axe 104 et le bord de fuite 112a-c diminue de la pale intérieure 108a vers la pale extérieure 108c. Ainsi, en progressant de la pale intérieure 108a à la pale extérieure 108c, les pales 108a-c se rapprochent de la concentricité avec l'axe 104. Pour un meilleur recouvrement, l'angle entre la droite passant par l'axe 104 et le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c et la droite passant par l'axe 104 et le bord de fuite de la pale intérieure 108a est de l'ordre de 97,3°. L'angle de fuite qui est l'angle entre la droite passant par l'axe 104 et le bord de fuite de la pale intérieure 108a d'un ensemble 106a et la droite passant par l'axe 104 et le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c de l'ensemble 106c antérieur dans le sens de rotation, est alors de l'ordre de 22.7°. Une telle implantation permet d'obtenir un rapport de 81% entre l'ouverture angulaire couvert par les pales 108a-c et 360°, ce qui supprime les fluctuations du couple et préserve les composants du rotor 100 lors de la rotation. La fiabilité du rotor 100 est alors accrue et son coût de maintenance est réduit d'autant. Le flux de fluide agit sur l'intérieur des pales 108a-c pour faire tourner le rotor 100. Pour limiter l'action du flux de fluide sur les pales 108a-c lors de la remontée contre le flux de fluide, le diamètre de l'arbre 102 détermine la corde des pales 108a-c. L'arbre 104 joue alors le rôle d'un obstacle qui ralentit le flux de fluide en aval De préférence, la corde de chaque pale 108a-c répond à la formule: Corde = 108% de D, où D est le diamètre de l'arbre 102. La distance minimale entre les pales 108a-c entre elles ou entre la pale intérieure 108a et l'arbre 102 doit être supérieure à 20% de la corde de la pale 108a-c. L'orientation de chaque pale 108a-c est telle que, lorsque la pale 108a-c est en mouvement dans le même sens que le flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale 108a-c ne passe pas par l'axe 104, créant ainsi un couple favorisant la rotation. L'orientation de chaque pale 108a-c est telle que, lorsque la pale 108a-c est en mouvement dans le sens contraire à celui du flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale 108a-c passe par l'axe 104, ne créant ainsi aucun couple. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté ici: - la distance entre l'axe 104 et le bord d'attaque 110a de la pale intérieure 108a est de l'ordre de 104% de D, - la distance entre l'axe 104 et le bord d'attaque 110b de la pale intermédiaire 108b est de l'ordre de 133% de D, et - la distance entre l'axe 104 et le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c est de l'ordre de 163% de D. De la même manière, - le plan contenant l'axe 104 et le bord d'attaque 110a de la pale intérieure 108a et le plan contenant le bord d'attaque 110a de la pale intérieure 108a et le bord de fuite 112a de la pale intérieure 108a forment un angle de l'ordre de 38,5°, - le plan contenant l'axe 104 et le bord d'attaque 110b de la pale intermédiaire 108b et le plan contenant le bord d'attaque 110b de la pale intermédiaire 108b et le bord de fuite 112b de la pale intermédiaire 108b forment un angle de l'ordre de 52,5°, et - le plan contenant l'axe 104 et le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c et le plan contenant le bord d'attaque 110c de la pale extérieure 108c et le bord de fuite 112c de la pale extérieure 108c forment un angle de l'ordre de 60,2°. Le maintien de chaque pale 108a-c est assuré par des platines 118, qui prennent la forme de plaques perpendiculaires à l'axe 104, qui sont fixées à l'arbre 102 qui s'étendent radialement par rapport à l'arbre 102 et sur lesquelles les pales 108a-c sont fixées. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. REVENDICATIONS1) Rotor (100) pour une machine tournante disposée dans un fluide en mouvement (10), ledit rotor (100) comportant : - un arbre (102) mobile en rotation autour de son axe (104), - au moins trois ensembles de pales (106a-c) répartis angulairement autour de l'arbre (102) et fixés à l'arbre (102), chaque ensemble (106a-c) présente une pale intérieure (108a) disposée la plus proche de l'arbre (102), une pale extérieure (108c) disposée la plus loin de l'arbre (102) et une pale intermédiaire (108b) disposée entre la pale intérieure (108a) et la pale extérieure (108c), chaque pale (108a-c) présente dans le plan perpendiculaire à l'axe (104), un profil d'aile dont l'intrados est orienté vers l'axe (104), chaque pale (108a-c) présente un bord d'attaque (110a-c) et un bord de fuite (112a-c) et la distance entre l'axe (104) et le bord d'attaque (110a-c) est supérieure à la distance entre l'axe (104) et le bord de fuite (112a-c), le bord d'attaque (110a) de la pale intérieure (108a) est en aval par rapport à une ligne amont (114) passant par l'axe (104) et par le bord d'attaque (110b) de la pale intermédiaire (108b) et le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) est en amont par rapport à la ligne amont (114), et le bord de fuite (112a) de la pale intérieure (108a) est en aval par rapport à une ligne aval (116) passant par l'axe (104) et par le bord de fuite (112b) de la pale intermédiaire (108b) et le bord de fuite (112c) de la pale extérieure (108c) est en amont par rapport à la ligne aval (116). 2) Rotor (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation de chaque pale (108a-c) est telle que, lorsque la pale (108a-c) est en mouvement dans le même sens que le flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale (108a-c) ne passe pas par l'axe (104), et en ce que l'orientation de chaque pale (108a-c) est telle que, lorsque la pale (108a-c) est en mouvement dans le sens contraire à celui du flux de fluide, la résultante des forces exercées par le flux de fluide sur la pale (108a-c) passe par l'axe (104). 3) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la différence entre la distance entre l'axe (104) et le bord d'attaque (110a-c) et la distance entre l'axe (104) et le bord de fuite (112a-c) diminue de la pale intérieure (108a) vers la pale extérieure (108c). 4) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle entre la droite passant par l'axe (104) et le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) et la droite passant par l'axe (104) et le bord de fuite de la pale intérieure (108a) est de l'ordre de 97,3°. 5) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la corde de chaque pale (108a-c) répond à la formule: Corde = 108% de D, où D est le diamètre de l'arbre (102). 6) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'angle entre la droite passant par l'axe (104) et par le bord d'attaque (110a) de la pale intérieure (108a) et la droite amont (114) est au minimum de 8,9°, et l'angle entre la droite passant par l'axe (104) et par le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) et la droite amont (114) est au minimum de 14,7°. 7) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la distance entre l'axe (104) et le bord d'attaque (110a) de la pale intérieure (108a) est de l'ordre de 104% de D, en ce que la distance entre l'axe (104) et le bord d'attaque (110b) de la pale intermédiaire (108b) est de l'ordre de 133% de D, et en ce que la distance entre l'axe (104) et le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) est de l'ordre de 163% de D. 8) Rotor (100) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le plan contenant l'axe (104) et le bord d'attaque (110a) de la pale intérieure (108a) et le plan contenant le bord d'attaque (110a) de la pale intérieure (108a) et le bord de fuite (112a) de la pale intérieure (108a) forment un angle de l'ordre de 38,5°, en ce que le plan contenant l'axe (104) et le bord d'attaque (110b) de la pale intermédiaire (108b) et le plan contenant le bord d'attaque (110b) de la pale intermédiaire (108b) et le bord de fuite (112b) de la pale intermédiaire (108b) forment un angle de l'ordre de 52,5°, et ence que le plan contenant l'axe (104) et le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) et le plan contenant le bord d'attaque (110c) de la pale extérieure (108c) et le bord de fuite (112c) de la pale extérieure (108c) forment un angle de l'ordre de 60,2°. 9) Machine tournante comportant un générateur électrique comportant un rotor de générateur et un stator de générateur et un rotor selon l'une des revendications 1 à 8 entraînant en rotation le rotor de générateur.