Brevet FR3079003A1 — publié le 20190920

INTRODUCTION Les éoliennes à axe horizontal et tri-pâles, dont les pâles doivent être longues et effilées, sont d'autant plus puissantes que la longueur de celles-ci est grande. La limite repose sur des questions de résistance mécanique. Par ailleurs, pour une pâle d'éolienne et contrairement à une aile d'avion, la vitesse apparente de l'écoulement de l'air près de l'emplanture n'a pas la même valeur et la même orientation qu'à l'extrémité de la pâle, ce qui amène les fabricants à faire varier l'angle des nervures sur la longueur, de telle manière à ce que le bord d'attaque de la pâle ait toujours la bonne orientation face au vent apparent. De même, et contrairement à une aile d'avion, une pâle d'éolienne est, pour être pilotée selon les vents forts ou faibles, avantageusement pourvue d'un mécanisme d'orientation sur son axe et donc de variation de son angle d'attaque (pitch drive and controller en anglais). ETAT DE L'ART SUR LA CONFIGURATION DES EOLIENNES A AXE HORIZONTAL Le brevet US 20140363303 Al »Wind turbine blade with biplane sections et l'article 'Perry Roth- Johnson, Richard E Wirz, Edward Lin. Structural design of spars for 100-m biplane wind turbine blades. Renewable Energy. Nov 2014, décrivent un projet d'éolienne géante avec des pâles dont une portion est biplan pour qu'elles puissent atteindre de grandes longueurs. La demande de brevet FR1770853 « Voilure squelettique, multiplan, solide, thermosoudable et recyclable » décrit des voilures squelettiques à la fois pour pâles d'éoliennes et ailes d'avion, sachant que contrairement aux pâles d'éoliennes, les ailes d'avion n'ont pas de mécanisme « pitchcontroller ». La demande de brevet FR1770853 concerne essentiellement des voilures faites de profilés à section constante, qu'elles soient destinées à des avions ou des éoliennes. La puissance « P(éolienne classique) » d'une éolienne classique à axe horizontal et à pâles monopartites est proportionnelle au carré de la longueur des pâles et au cube de la vitesse du vent. P (éolienne classique) K(éolienne classique) X 8/27 x Rho x S x V3, dans laquelle : P est la puissance de l'éolienne (en W) ; K (éolienne classique) est plus petit que 1, S est la surface balayée par les pâles, V est la vitesse du vent en m/s, Rho est la masse volumique de l'air. L'invention concerne une pâle d'éolienne éolienne à axe horizontal et à pâles tripartites. La puissance « P(éolienne à pâles tripartites de l'invention ) » d'une éolienne à axe horizontal et à pâles tripartites est aussi proportionnelle au carré de la longueur des pâles et au cube de la vitesse du vent. P (éolienne à pâles tripartites de l'invention) K(éolienne à pâles tripartites de l'invention) X 8/27 x Rho x S x V3, dans laquelle : P est la puissance de l'éolienne (en W) ; K (éolienne à pâles tripartites de l'invention ) est plus petit que 1, S est la surface balayée par les pâles, V est la vitesse du vent en m/s, Rho est la masse volumique de l'air. On a : K (éolienne pâles tripartites de l'invention ) du même ordre de grandeur que K(éolienne classique). 2 Cependant, les études faites sur les ailes d'avions superposées et décalées (joined wings, box-wings, Prandlt wings, Non-planar wings) montrent leur supériorité en finesse, qui est le rapport qui compare portance et traînée. 5 L'aérodynamique des ailes d'avion et l'aérodynamique des pâles d'éolienne ont de nombreux points en commun. L"invention concerne la coopération de trois surfaces portantes décalées, ce qui est le thème des publications sur les voilures de Prandtl pour les avions 10 L'Etat de l'Art des voilures non-planaires est décrit entre autres dans les publications suivantes : - Configuration d'Aile. Wikipedia. https://fr.wikipedia.org/wiki/Configuration d%27aile - Prandtl L., "Induced drag of multiplanes" NACA TN 182, 1924. - Lange, R.H., J.F. Cahill, et al. "Feasibility Study of the Transonic Biplane Concept for Transport Aircraft Application", NASA Contractor Report CR-132462. 1974. 15 - Wolkovitch, J. 1986. "The Joined Wing: An Overview", Journal of Aircraft, Vol. 23, No. 3, pp. 161-178. 1986. - Gallman, J.W., S.C. Smith, and I.M. Kroo. "Optimization of Joined-Wing Aircraft", Journal of Aircraft,Vol. 30, No. 6, pp. 897-905. 1993. - Frediani, A., and Montanari, G.. "Best wing system: an exact solution of the Prandtl's 20 problem,". Variational Analysis and Aerospace Engineering, Vol. 33.pp. 183-21. 2009 - Daniel Schiktanz. Master Thesis. « Conceptual Design of a Medium Range Box Wing Aircraft. Department of Automotive and Aeronautical Engineering. Hamburg University of Applied Sciences. 2011. - Torenbeek, E. 2013. Aircraft Design Optimization, in Advanced Aircraft Design: Conceptual 25 Design, Analysis and Optimization of Subsonic Civil Airplanes, John Wiley & Sons, Ltd, Oxford, UK. - Adeel Khalid, Parth Kumar. Arerodynamic Optimization of Box Wing - A Case Study. EmbryRiddle Aeronautical University, Daytona, USA. International Journal of Aviation, Aeronautics, and Aerospace. 1, Issue 4 Article 6, 11-4-2014 30 - Rauno Cavallaro, Luciano Demasi. Challenges, Ideas, and Innovations of Joined-Wing Configurations: A Concept from the Past, an Opportunity for the Future. Progress in Aerospace Sciences. Volume 87, Pages 1-93, 2016. - C.N. Zohlandt . Thesis. Conceptual Design Of High Subsonic Prandtl Planes Analysis And Performance Comparison With Conventional Configurations. Master of Science in Aerospace 35 Engineering at the Delft University of Technology. 2016. - Scholz, D. 2016. Evolutionary Aircraft Configurations - Possible A320 Successor. Research Project 2008-2014.- URL: http://Airport2030.ProfScholz.de. - Rauno Cavallaro, Rocco Bombardieri, Simone Silvani, Luciano Demasi, Giovanni Bernardini. Aeroelasticity of the PrandtIPlane: Body Freedom Flutter, Freeplay, and Limit Cycle 40 Oscillation. Variational Analysis and Aerospace Engineering pp 65-94, December 2016. - Fàbio Cruz Ribeiro, Adson Agrico de Paula, Dieter Scholz and Roberto Gil Annes da Silva. Wing geometric parameter studies of a box wing aircraft configuration for subsonic flight. 7th European Conference For Aeronautics And Space Sciences (EUCASS). 2017. 45 Les problématiques d'aéroélasticité posés par les voilures non-planaires sont étudiés dans la publication « Rauno Cavallaro, Rocco Bombardieri, Simone Silvani, Luciano Demasi, Giovanni Bernardini. Aeroelasticity of the PrandtIPlane: Body Freedom Flutter, Freeplay, and Limit Cycle Oscillation. Variational Analysis and Aerospace Engineering pp 65-94, December 2016. » Celle-ci recommande l'usage de composites pour fabriquer leur structure. 50 En anticipant ce qui est décrit ci-après, ajoutons que, outre leurs propriétés aérodynamiques, les pâles d'éoliennes de l'invention sont aptes aux grandes longueurs lorsqu'on renforce ses composants avec des profilés de jointure. 55 5 ETAT DE L'ART SUR LE MECANISME D'ORIENTATION D'UNE PALE D'EOLIENNE Un mécanisme d'orientation d'une pâle d'éolienne autour de son axe et donc de variation de son angle d'attaque repose souvent, dans l'Etat de l'Art, sur deux pièces circulaires concentriques dont la 10 plus grande est un support fixe, et dont la plus petite est solidaire de la racine de la pâle et est capable de tourner. Selon une première technologie, la roue interne est pourvue de dents internes, et est mise en rotation par un engrenage avec un contrôle électronique de pilotage. 15 Selon une deuxième technologie utilisée dans les éoliennes à axe horizontal et à trois pâles, la roue interne est mise en rotation par l'action d'une bielle liée à un axe longitudinal et rétractable dont le déplacement produit le même effet pour les trois pâles, à savoir une rotation autour de leur axe, et ce avec un contrôle électronique de pilotage. 20 25 30 35 40 45 50 3 55 4 DESCRIPTION La présente invention concerne les voilures d'éoliennes uniquement, contrairement à la demande de brevet FR1770853. 5 Les pâles d'éoliennes doivent être longues, et effilées, et si possible capables de rotation sur leur axe pour offrir plus ou moins de portance. Les pâles de l'invention respectent ces critères, mais ont la particularité d'être tri-partites pour offrir à la fois la longueur, la portance, l'allongement et, avec des éléments de jointure entre les différents 10 composants, la solidité. Selon l'invention, une pâle d'éolienne (49) visant les très grandes longueurs est configurée en portion monopartite (84) 15 à sa racine, puis en portion tripartite constituée de trois pièces alaires (9) de grand allongement, lesdites pièces alaires (9) s'éloignant les unes des autres à partir de leurs emplantures (89), ces emplantures (89) étant situées sur une pièce circulaire (86) d'ancrage des racines desdites pièces alaires (9), elle-même située en extrémité distale de ladite portion monopartite (84). Son mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque oriente ladite portion monopartite (84) 20 autour de son axe, et donc oriente aussi lesdites trois pièces alaires (9) toutes ensemble. Selon une version de l'invention, ledit mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque est doté d'une roue dentée (85) avec dents internes qui est mise en rotation par un engrenage, et sur laquelle s'ancre ladite pièce circulaire (86) 25 d'ancrage des racines. Selon une version de l'invention, ledit mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque d'une pâle (49) repose, selon l'Etat de l'Art, sur deux pièces circulaires concentriques dont la plus grande est un support fixe, et dont la plus 30 petite est une roue solidaire de la racine de la pâle (49), et pourvue de dents internes pour pouvoir être mise en rotation par un engrenage avec un contrôle électronique de pilotage. Selon une version de l'invention, ledit mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque d'une pâle (49) repose, selon l'Etat de l'Art, 35 sur deux pièces circulaires concentriques dont la plus grande est un support fixe, et dont la plus petite est une roue solidaire de la racine de la pâle (49). Ladite pâle (49) est mise en rotation par l'action d'une bielle liée à un axe longitudinal rétractable dont le déplacement produit le même effet pour les trois pâles, à savoir une rotation autour de leur axe, et ce avec un contrôle électronique de pilotage. 40 Selon une version de l'invention, les trois pièces alaires (9) sont reliées par triplets (6) de profilés (17) faisant éléments de jointure plus ou moins éloignés de ladite portion monopartite (84), et ce pour consolider ladite pâle (49) appelée à être de très grande longueur. 45 Selon une version de l'invention, ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont tangents au rotor. 50 Selon une version de l'invention, ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont perpendiculaires au rotor. Selon une version de l'invention, 55 les trois pièces alaires (9) sont à section constante, ce qui permet d'utiliser la pultrusion comme technique de fabrication de pièces composites. 5 FIGURES La Figure 1 représente un projet d'éolienne à très longues pâles décrit 5 dans le brevet US 20140363303 Al »Wind turbine blade with biplane sections et l'article 'Perry Roth- Johnson, Richard E Wirz, Edward Lin. Structural design of spars for 100-m biplane wind turbine blades. Renewable Energy. Nov 2014. Les pâles ont une portion biplan qui les rend aptes à être très longues. 10 Les Figures 2A, 2B et 2C représentent des ailes d'avions, dites ailes de Prandtl (joined wings, box-wings, Prandlt wings, Non-planar wings) qui sont superposées et décalées. Celles-ci ont une supériorité en finesse, qui est le rapport qui compare portance et traînée. L'aérodynamique des ailes d'avion et l'aérodynamique des pâles d'éolienne ont de nombreux points en commun. L"invention concerne la coopération de trois surfaces portantes décalées, 15 ce qui est le thème des publications sur les voilures de Prandtl pour les avions, où l'on étudie la coopération de deux ou trois surfaces portantes décalées. La Figure 3 représente une première technologie de l'Etat de l'Art pour le mécanisme d'orientation d'une pâle autour de son axe. Elle repose sur deux pièces circulaires concentriques dont la plus 20 grande est un support fixe, et dont la plus petite est une roue à dents internes qui est fixée à sa racine et qu'un engrenage met en rotation avec un contrôle électronique de pilotage, ladite roue à dents internes étant solidaire de la racine de ladite pâle. La Figure 4 représente une deuxième technologie de l'Etat de l'Art pour le mécanisme d'orientation 25 d'une pâle autour de son axe. Elle repose sur deux pièces circulaires concentriques dont la plus grande est un support fixe, et dont la plus petite est une pièce solidaire de la racine de la pâle qui est mise en rotation par l'action d'une bielle liée à un axe longitudinal rétractable dont le déplacement produit le même effet pour les trois pâles, à savoir une rotation autour de leur axe. 30 La Figure 5 représente la portion monopartite (84) d'une pâle (9) de l'invention. La portion monopartite (84) est positionnée à sa racine. Les emplantures (89) desdites pièces alaires (9) (non représentées)sont situées sur une pièce circulaire (86) d'ancrage des racines desdites pièces alaires (9), elle-même positionnée à l'extrémité distale de ladite portion monopartite (84). 35 Ledit mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque oriente ladite portion monopartite (84) autour de son axe et donc oriente aussi lesdites trois pièces alaires (9) toutes ensemble. La Figure 6 représente un rotor avec une pâle tri-partite (49) de l'invention dans le cas où les trois pièces alaires (9) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque 40 sont tangents au rotor. La Figure 7 représente un rotor avec une pâle tri-partite (49) de l'invention dans le cas où les trois pièces alaires (9) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont perpendiculaires au rotor. 45 La Figure 8 représente une comparaison entre les deux options de l'invention. La Figure 8 A représente une éolienne avec trois pâles tri-partite (49) de l'invention dans le cas de la Figure 6. La Figure 8 B représente une éolienne avec trois pâles tri-partite (49) de l'invention dans le cas de la 50 Figure7. La Figure 9 représente un triplet de profilés (17) faisant éléments de jointure pour consolider ladite pâle (49) dans le cas où ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont tangents au rotor. 55 La Figure 10 représente un triplet de profilés (17) faisant éléments de jointure pour consolider ladite pâle (49) dans le cas où ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque REVENDICATIONS1) Pâle d'éolienne squelettique tripartite, caractérisée en ce qu' une pâle d'éolienne (49) visant les très grandes longueurs est configurée en portion monopartite (84) à sa racine, puis en portion tripartite constituée de trois pièces alaires (9) de grand allongement, lesdites pièces alaires (9) s'éloignant les unes des autres à partir de leurs emplantures (89), ces emplantures (89) étant situées sur une pièce circulaire (86) d'ancrage des racines desdites pièces alaires (9), elle-même située en extrémité distale de portion monopartite (84). Son mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque oriente ladite portion monopartite (84) autour de son axe, et donc oriente aussi lesdites trois pièces alaires (9) toutes ensemble. 2) Pâle d'éolienne squelettique tripartite, selon la revendication 1, caractérisée en ce que les trois pièces alaires (9) sont reliées par triplets (6) de profilés (17) faisant éléments de jointure qui assurent la consolidation, et sont plus ou moins éloignés de ladite portion monopartite (84). 3) Pâle d'éolienne squelettique tripartite, selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont perpendiculaires au rotor. 4) Pâle d'éolienne squelettique tripartite, selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pâle d'éolienne (49) et l'axe de rotation du mécanisme (83) de variation de l'angle d'attaque sont tangents au rotor. 5) Pâle d'éolienne squelettique tripartite, selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites trois pièces alaires (9) sont à section constante. 35 40