Brevet FR3061523A1 — publié le 20180706

La présente invention concerne une hélice à axe vertical d'un nouveau concept qui au lieu de laisser passer classiquement et majoritairement le flux entre les pales, en passant par son centre de rotation pour d'atteindre des surfaces actives convexes, repousse le flux par des surfaces actives externes CONCAVES en s'opposant ainsi au passage du flux par le centre de rotation . Dans ce nouveau concept, afin d'assurer un rendement optimal, l'orthogonale érigée à la surface de la concavité des pales,interférera, sera sécante, avec l'axe de rotation du dispositif.Cette conception à axe vertical d'un nouveau principe, objet de l'invention, générera un fort couple de démarrage, impliquant simultanément deux vecteurs-force selon deux directions orthogonales , l'une tangentielle classique autour de l'axe de rotation ,l'autre verticale d'auto-rotation résultant d'un effet vortex. L' utilisation de cette nouvelle l'hélice en application éolienne, esthétique et silencieuse, pourra donc être favorablement utilisée en milieu urbain là où les flux d'air sont turbulents perturbés par les constructions, ou en montagnes, en zones de vents spécifiques tourbillonnants . Contrairement aux éoliennes classiques,Darius ou Savonius qui ont leur vecteur -force initial colinéaire au sens du vent pour le premier principe dit en allure de poussée (cx) de direction sensiblement perpendiculaire à la convexité de la pale active le deuxième en allure de succion dite de finesse sous le vent, avec un vecteur-force agissant de l'intérieur vers l'extérieur,de l'hélice, qui ne permet pas l'optimisation d'un effet Vortex, le fluide se trouvant détendu en orientation latérale dès la sortie des pales,elles même parfois reliées entre elles à leur extrémité gênant ainsi une éjection verticale, comme dans le nouveau principe de fonctionnement de la présente invention . L'objet de la présente invention à des angles d'attaques et des formes de pales inversées, par rapport à l'incidence du vent ce qui lui donne un fort couple de démarrage constaté en expérimentations, comparé aux systèmes existants, qu'il est parfois nécessaire de lancer au début de leurs rotations , une éolienne principe Savonius, obtient sa puissance maximum lorsque sa rotation se stabilise en allure dite de finesse proche des 32 degrés d'angle par rapport au vent apparent principalement à haute vitesse de rotation , l'action du vent se fait alors en traversant l'éolienne et en agissant sur la partie convexe des pales comme une voile de voilier de l'intérieur vers I extérieur. Dans le système Darius qui démarre aisément il n'y a pas ou peu d'effet Vortex, les pales sont éloignées les unes des autres et la rotation de l'éolienne est générée par la différentielle de coefficient de traînée (CX) face au vent, entre les pales opposées par rapport à l'axe de rotation, ce principe n'atteint que de faibles de vitesses de rotation , du fait des turbulences qui apparaissent sur la face arrière,( l'extrados) des pales ces turbulences parasites s'opposent à la rotation, c'est pour cela qu'il est d'usage d'associer sur un même axe une éolienne de chaque principe précité, l'une pour le démarrage, l'autre pour la puissance à haute vitesse de rotation .en allure de finesse. Le principe de cette nouvelle conception d'éolienne à axe vertical avec forme de pales concaves face au vent, et vecteurs-force orientés vers l'extérieur 3061523 2 assure les avantages des deux principes classiques tout en n'ayant pas les inconvénients , par ce nouveau concept les étapes suivantes se succèdent sur la face FC1(figure 7) pression du flux d'air sur la pale concave en forme de gouttière qui canalise le flux, chasse l'air selon la verticale puis simultanément glissement de l'air figure 1 , tangentiellement selon la flèche (Z) issue de la surface SEF1, faisant passer la face FC1, de la pale (G) initialement au vent , à une position sous le vent . La pale (G) sera alors replacée par la pale (E) au départ sous le vent et masquée par (G) , la pale (E) sera ensuite dans une position , face concavité,FC2 face au vent .Selon une variante les pales de l'éolienne peuvent être désaxées pour améliorer leurs rendements, d'une valeur (X1) voir (FIG 1) et (FG2) qui sera optimiser en essais en fonction des caractéristiques des zones ventées. Dans ce nouveau concept les formes actives seront toujours concaves, exposées face au vent , à chaque demi tour une pale masquera l'autre (G) masque (E) , (E) masque (G) et ainsi de suite , contrairement aux deux principes classiques ou, soit que la pale activée par le flux d'air est convexe (Savonius ) , soit qu'une pale ne masque jamais l'autre.(Darius), Dans cette nouvelle invention la succession d'étapes de compression-chasse -basculement-éjection -détente, simultanément verticalement et latéralement s'enchaîneront selon deux axes, l'un vertical avec formation d'un Vortex expansif par compression (FIG10), éjection (FIG 11), détenteéchappement(FIG 12) , à cône inversé (FIG 7), avec pointe au centre de l'éolienne s'élargissant sous l'effet de la rotation ( effet de mini tornade,) l'autre colinéaire au vecteur rotation suite à la compression du flux d'air et basculement de (G) selon (FIG 1) la direction (Z) vers la deuxième pale masquée sous le vent (E) qui passera alors au vent, l'extrémité arrière de (G) passant elle alors en zone dépressionnaire (H) de succion annulant ainsi l'effet de la zone (A) de poussée (FIG 2), sans oublier l'extrémité avant de la pale (G) maintenant sous le vent qui favorisera la rotation,étant en zone d'aspiration-masquée (B) avec une tel cinématique apparaîtra aussi un effet de dépression-succion en arrière de la partie concave (FIG 2) du bord d'attaque de la pale (E) maintenant au vent favorisant le rendement, comparé aux autres systèmes existants, ce nouveau principe agira par action simultanée de deux vecteurs-force, l'un du à un effet Vortex en expansion par échappement vertical du flux d'air après compression détente,(FIG 10) l'autre d'orientation périphérique latérale elle aussi par compression du gaz (FIG 10) et échappement-éjection (FIG11).Contrairement au fonctionnement des autres éoliennes verticales il a été constaté que cette nouvelle éolienne bénéficiait d'accélérations positives entre la phase compression et celle de l'échappement, avec un léger bruit de cavitation à peine audible au fur et à mesure de la rotation et que l'effet Vortex s'amplifiait, avec la vitesse de rotation, régulant ainsi l'échappement du gaz de sa transition à compression à la phase échappement détente .. Selon une version, l'éolienne aurait des faces concaves linéaires , selon un autre version ces faces concaves par rapport au vent incident seraient circulaires, paraboliques , Une telle conception donne des rendements plus de deux fois supérieurs aux rendements d'éoliennes classiques, grâce 3061523 3 à une surface d'air balayée mise en action nettement plus importante que celle d'une éolienne classique pour un même diamètre hors tout d'hélice , avec l'avantage précité d'une auto-régulation en vitesse de rotation par l'effet tourbillon, qui continuera quelques secondes en transitoire après la chute de l'intensité d'une rafale .La figure 1, montre, en zone (SEF1) la surface concave (FC1), de la forme d'une gouttière qui s'oppose dans un premier temps, au passage des filets d'air en latéral en chassant l'air verticalement parallèlement à l'axe de rotation,générant un large mouvement de spin, "type vortex" de rayon (RCV1) de centre (CV1) puis bascule provoquant la rotation de l'éolienne , la pale sous le vent jusqu'alors masquée zone (ZM) devient active .Dans ce nouveau concept d'éolienne les pales (E) et (G) figure (1)et (7) sont symétriquement opposées, et à chaque demi-tour d'hélice, sont alternativement soit en position masquée sous le vent soit en position active face extérieure concave face aux vents , il convient de noter (FIG1) que la projection de la surface active concave de la pale (G) sur I 'axe de rotation de l'éolienne , variera en fonction de sa position,par rapport au vent incident,selon un angle alpha (FIG1 puis FG2) dans sa rotation, minimum au début, maximum avant le basculement, avec une force variable en conséquence fonction du vent . (L'angle alpha étant l'angle compris entre la perpendiculaire issue du plan de la pale (G) passant par l'axe de rotation, et l'axe du vent ). La figure 3 montre le circuit classique des filets d'air qui contrairement aux effets de la figure 1,impact en premier la face , convexe de la pale au vent, activent dans un deuxième temps la surface SEF2 de la pale sous le vent, les filets passant dans ce cas par le centre de l'éolienne, l'échappement vertical des filets d'air est faible du fait de la jonction des pales aux extrémités avec en conséquence un faible effet de tourbillon de rayon RCV2, Pour un même diamètre d'éolienne, selon cette nouvelle conception, (FIG1) la surface active FC1 face au vent,est de grande surface et "" CONCAVE""avant son basculement, dans la conception classique,(FIG 3) , la surface face au vent est ""CONVEXE"" sa surface active plus petite est placée sous le vent. La (FIG 2) montre la position des pales du nouveau concept après un quart de tour de rotation et basculement de FC1 à FC2, la rotation alors s'accélérera avec une action complémentaire du vent sur l'extrémité avant (B) de la pale sous le vent,et de sa partie arrière (ZM) masquée, dans une conception classique,(FIG3) après le même quart de tour l'éolienne traditionnelle aura la position de la (FIG 4), l'action du vent sur l'éolienne sera dans ce cas sensiblement nulle. La nouvelle conception d'éolienne est donc active quelle que soit la direction du vent ou sont incidence sur les pales, dans une conception classique cela n'est pas le cas, en effet dans le cas particulier de la position des pales de la figure3 par rapport au vent l'éolienne ne génère aucun couple moteur . La (FIG7) rappelle les deux actions simultanées du vent sur la pale concave (FC1) face au vent.Une action de chasse verticale des flux d'air compressés par un effet gouttière (de canalisation de l'air) avec échappement vertical, par le haut ou le bas avant sa brusque détente provoquant un large effet 3061523 tourbillonnant du fait de la rotation simultanée de l'hélice, un tourbillon d'air en résultera, un mouvement "de Spin"puis I' effet "Vortex" accélérant la rotation de l'éolienne avec en conséquence une action d'entraînement en rotation telle que décrite sur les figures 1 et 2 précitées .Selon une utilisation(FIG 5), cette éolienne équipée d'un petit générateur pourrait être accrochée à un arbre pour assurer une production électrique de substitution à la campagne ou en montagne,. Selon une autre utilisation (FIG6), cette éolienne avec face concave au vent peut être hissée en haut du mât d'un bateau, voilier, ou autre, pour servir d'écho radar actif d'anticollision face à un pétrolier par exemple, en accélérant et renvoyant par effet " Doppler" les ondes reçues vers l'écran radar de l'émetteur d'impulsions, d'un autre bateau ou d'un avion en charge de recherche sur zone facilitant ainsi ainsi le repérage . Équipé d'un générateur(A') ou (B') cette même petite éolienne peut éclairer le pont d'un bateau en navigation ou à l'ancre dans une crique la nuit en cas de panne électrique à bord dans cette application le câble reliant le pont du bateau au générateur servira dans ce cas de ressort de torsion pour amplifier en accumulant et restituant alternativement l'énergie de torsion qui amorcera le couple de démarrage du générateur, le câble étant fixe sur le pont du voilier ou autre dans sa partie basse et relié au générateur dans sa partie haute . Selon une autre version le câble (C') serait libre en rotation par rapport à I éolienne, et le générateur (A') lié en rotation avec l'éolienne immobilisé par le câble (D') dans sa partie basse, soit le générateur (B') sera immobilisé dans sa partie basse et mis en rotation par le câble (D'). A faible vent l'éolienne pourra tourner librement sans couple résistif, dès que le vent forcit l'éolienne se déplacera dans le sens latéral, voir (FIG 9) se déplacement latéral aura pour conséquence une traction sur le câble , cette traction progressive en fonction de l'intensité du flux d'air sera utilisée pour enclencher l'entraînement en rotation ou la modulation de l' excitation du générateur soit en (A') soit en (B'), et ainsi auto-réguler, la charge, la puissance de sortie, en harmonie avec l'intensité du vent. La (FIG 8) montre une installation possible d'éolienne de ce nouveau concept très esthétique sur le toit d'une habitation, avec orientation du flux d'air vers les pales actives concaves du système, en milieu urbain avec vents turbulents cette hélice (éolienne) pourrait avoir un nombre de pales supérieur à deux qui rejetteront le vent vers le haut accentuant ainsi l'effet vortex précité, Bien entendu le principe objet de la présente invention n'est pas limité aux schémas du présent document, mais peut s'appliquer à une quelconque hélice, ou hydrolienne (FIG13) reliée par un câble(K) à une génératrice (M) en surface, utilisant le principe de pales concaves face à un flux incident sur toute la surface active , qui s'échapperait par un effet gouttière canalisé parallèlement à l'axe de rotation,et éjecterait latéralement toujours vers l'extérieur, par rapport à l'axe de rotation, le fluide assurant ainsi un auto nettoyage contre les possibles, algues, mollusques et coquillagesparasites,un câble (L) reliant l'hélice à un bloc d'ancrage (N),pouvant ainsi par temps couvert alimenter une balise en mer . 5 REVENDICATIONS1) Dispositif éolien ou hydrolien avec hélice, caractérisé en ce que le profil des pales est concave face au fluide incident, en ce que la perpendiculaire, ou l'orthogonale, à la pale face au fluide incident, soit sensiblement sécante avec l'axe de rotation, de telle sorte qu'elle bloque-comprime, éjecte simultanément verticalement effet vortex et Latéralement le fluide vers l'extérieur qui s'écarte ainsi de l'hélice du fait du profil de sa face active, s'écartant ainsi des principes connus qui pour agir laissent passer le fluide entre les pales par l'axe de rotation de l'hélice. 2) Dispositif selon la revendication (1) caractérisé en ce que chaque surface de pale qui fait face au fluide soit de profil gouttière, cylindrique, parabolique, ou pseudo-concave s'opposant ainsi alternativement et séquentiellement au passage du fluide par le centre de rotation de l'hélice . 3) Dispositif selon les revendications (1 ) et (2) , caractérisé en ce que lorsqu'il comprend seulement deux pales, ces deux pales soient positionnées autour d'un même axe de rotation, soit face à face en opposition par leur face convexe, soit alignées , avec des faces concaves linéaires actives bloquant dans tous les cas le passage du fluide alternativement par l'une ou l'autre pale, puis pendant la rotation, en l'éjectant automatiquement verticalement tangentiellement. - . 4) Dispositif selon la revendication (1), caractérisé en ce que la forme de la (ou des) pales soit elliptique, notamment en mode hydrolien pour éviter l'accrochage des pollutions ou débris circulant dans le courant, forme qui s'additionnera à l'effet de cavitation des vecteurs forces selon deux axes de chasse en limitant les possibles pollutions par accrochages de parasites, algues , mollusques , coquillages sur les faces actives concaves des pales de l'hydrolienne . Selon une option l'hydrolienne est accrochée au fond de l'eau par un câble , (ou une chaîne) et reliée en surface par un autre câble , (ou chaîne) à un générateur facile d'accès en surface, permettant d'alimenter des balises radio-émettrices ou lumineuses par temps de brume ou couvert en mer . 5) Dispositif selon la revendication (1) caractérisé en ce que, le dispositif éolienne (ou hydrolien) étant tenu par des câbles , son déplacement latéral dû à la force du vent (ou du courant) entraîne 30 en rotation par traction sur le câble un générateur, ou déclenche son excitation 6) Dispositif selon la revendication (1 ) caractérisé en ce que l'hélice aura un nombre de pales supérieur à deux dans le cas d'une mise en série de plusieurs éoliennes, afin d'éviter les interférences harmoniques entres les éjections latérales de fluides de chaque hélice . 7) Dispositif selon la revendication (5) caractérisé en ce que selon une option le générateur puisse être intégré dans le corps même de l'éolienne (ou de l'hydrolienne) pour servir de source lumineuse, d'écho-radar actif, 40 8) Dispositif selon les revendications (5) et (7) caractérisé en ce que l'un, ou les deux câbles d'accrochage fassent fonction de ressorts de torsion afin d'amplifier, accumuler et restituer alternativement dans un sens puis dans l'autre I énergie de torsion ce qui facilitera le démarrage du générateur 35