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CA 02755083 2011-09-09
WO 2010/109081 PCT/FR2009/000331
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Rotor pour générateur d'énergie, en particulier pour éoliennes.
La présente invention concerne un rotor pour générateur d'énergie, en
particulier d'énergie électrique, à partir d'un écoulement fluidique pouvant
être de
l'air ou de l'eau notamment. Elle vise plus spécialement un rotor d'éoliennes.
Elle
s'applique également à un dispositif de génération d'énergie électrique, en
particulier éolienne, comportant une génératrice couplée à au moins un rotor.
Les préoccupations environnementales et le renchérissement des sources
d'énergie fossile ont conduit, ces dernières années, à un regain d'intérêt
pour des
formes d'énergies alternatives en particulier dans le domaine de l'éolien.
Les solutions éoliennes les plus courantes consistent en des éoliennes à
axe horizontal disposant d'une hélice perpendiculaire au vent et montée sur un
mât.
Cette technologie est souvent utilisée pour des installations de dimensions
imposantes, pour une génération de puissance électrique importante.
Des solutions d'encombrement plus réduit ont par ailleurs été proposées en
particulier pour des installations à proximité des bâtiments consommateurs
d'énergie électrique. C'est dans ce cadre que s'inscrit le dispositif décrit
dans le
document FR A 2 872 867 divulguant une machine pour générer de l'énergie
grâce à la force du vent, constitué sous la forme d'un aérogénérateur
disposant
d'un rotor dont les pales sont de forme semi tronconique et sont quasi
parallèles
à l'axe de rotation. Essentiellement utilisé avec un axe de rotation
horizontal, ce
type de dispositif offre une grande efficacité associée à une compacité
compatible avec de multiples zones d'installation notamment sur les toits de
bâtiments.
Les pales de ce type de générateur sont cependant de grande taille et
disposent par conséquent d'une surface de contact. avec le fluide élevé ce qui
implique des considérations de résistance mécanique : nécessitant un
dimensionnement de structures adaptées à la reprise d'efforts induits par des
vents de force très variable.
L'invention ici proposée a pour but d'améliorer les technologies de rotors
disposant de pales orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor.
Dans le document US-4,159,191, est décrit un rotor pour générateur
d'énergie à partir d'un écoulement fluidique, comportant une pluralité de
pales
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flexibles orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor qui est agencé
pour
autoriser une variation de l'obliquité des pales, en cours de fonctionnement.
Plus
précisément, l'extrémité frontale des pales est rigidement fixée sur une
couronne
circulaire, tandis que leur portion restante est libre. De la sorte, les pales
sont
montées flottantes, par l'intermédiaire de leurs extrémités frontales, sur la
couronne circulaire, elle-même rigidement reliée à l'arbre horizontale rotatif
du
rotor. Selon la force du vent qui s'engouffre dans l'ouverture frontale du
rotor
délimitée par la couronne circulaire, l'extrémité postérieure libre des pales
flexibles s'éloigne ou se rapproche de l'arbre horizontal rotatif. Il y a donc
une
variation de l'obliquité des pales du rotor, mais on ne peut assimiler cette
variation possible de l'obliquité à un réglage de cette dernière. Une telle
solution
semble purement théorique et ne parait pas avoir débouché sur des applications
pratiques. Une construction permettant un fonctionnement satisfaisant, durable
et
silencieux d'un tel rotor appliqué à des éoliennes, semble en effet très
difficile à
obtenir.
L'invention apporte une solution aux problèmes précédemment exposés
des machines éoliennes disposant de pales orientées obliquement.
En particulier, l'invention a l'avantage de permettre une grande faculté
d'adaptation à la vitesse de l'écoulement fluidique qui peut être très
variable en
particulier lorsqu'il s'agit du vent.
Ce faisant, le rotor ici préconisé voit sa configuration évoluer selon la
force
du vent garantissant l'installation de génération électrique contre les
risques de
casse du rotor et permettant d'optimiser la structure de l'ensemble notamment
au
regard des contraintes mécaniques imposées par le vent. La Déposante a ainsi
constaté que l'on pouvait nettement diminuer le poids du rotor par la mise en
oeuvre de son invention tout en maintenant une fiabilité mécanique suffisante.
D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui
présente un mode de réalisation détaillé de l'invention, ce mode de
réalisation ne
devant cependant pas être considéré comme limitatif.
Auparavant, il est rappelé que la présente invention concerne un rotor pour
générateur d'énergie à partir d'un écoulement fluidique comportant une
pluralité
de pales orientées obliquement par rapport à l'axe du rotor, caractérisé par
le fait
qu'il comporte des moyens de commande de la variation de l'obliquité des
pales.
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Suivant des variantes préférentielles mais non limitatives, ce rotor est tel
que :
- les moyens assurant les variations d'inclinaison des pales sont
commandés de sorte à asservir l'obliquité de ces dernières à la vitesse
de l'écoulement fluidique,
- les pales ont une forme globalement semi tronconique,
- l'obliquité des pales est variable dans un plan sensiblement
perpendiculaire au plan défini par les bords longitudinaux des pales,
- le dispositif comporte un arbre suivant l'axe du rotor et des moyens de
liaison entre l'arbre et chaque pale,
- les moyens de liaison comportent, pour chaque pale, une articulation à
proximité du bord d'attaque de la pale et au moins une liaison aval
variable,
- les moyens de variation comportent des moyens de modification de la
longueur des liaisons aval,
- les moyens de variation comportent des moyens de modification de la
position des liaisons le long de l'arbre,
- l'obliquité des pales est variable entre 0 et 45 .
- le bord d'attaque des pales forme un angle compris entre 20 et 300 vers
l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales,
- le bord de fuite des pales forme un angle compris entre 20 et 30 à
l'extérieur avec le plan normal à l'axe longitudinal des pales.
L'invention concerne également un dispositif de génération d'énergie
électrique comportant une génératrice couplée à au moins un rotor tel que
défini
ci-dessus.
Les dessins annexés sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas
limitatifs de l'invention. Ils représentent seulement un mode de réalisation
de
l'invention et permettront de la comprendre aisément.
La figure 1 présente, en perspective, une première configuration de
l'invention applicable pour des écoulements fluidiques de vitesse moyenne.
La figure 2 en est une vue suivant la direction F.
La figure 3 montre, en perspective, l'invention dans le cas d'un
écoulement fluidique plus puissant.
La figure 4 en est une vue selon la direction E.
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Les figures 5 et 6 présentent deux inclinaisons différentes d'une pale
d'un rotor selon l'invention.
Les figures 8 et 9 montrent une variante de l'invention comparativement
au mode de réalisation schématisé en figure 7.
Le rotor ici présenté comporte une pluralité de pales 4 illustrées aux
diverses figures et présentant une direction longitudinale de composante non
nulle suivant l'axe de rotation 2 du rotor. De cette façon, les pales 4 sont
formées
obliquement relativement à l'axe du rotor.
Chaque pale 4 s'étend longitudinalement vers l'arrière à partir de son
extrémité frontale ou bord d'attaque 5 et radialement vers l'extérieur, de
sorte à
s'éloigner progressivement de l'axe de rotation 2. L'obliquité des pales ainsi
orientées peut varier entre 0 et 45 .
Dans le cas illustré, trois pales 4 sont constituées mais ce chiffre n'est
pas limitatif. Par ailleurs, l'exemple représenté dispose de pales 4
identiques,
uniformément réparties et réalisées par une enveloppe semi tronconique
légèrement vrillée entre le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 6 d'un angle
compris entre 20 et 30 . Les pales 4 sont par ailleurs décalées angulairement
par
rapport à la direction définie par l'axe de rotation 2 d'un angle de l'ordre
de 5 à
15 dans le plan XY présenté aux figures 5 et 6.
A titre indicatif, le diamètre de la base du tronc de cône servant à
constituer le bord d'attaque 5 est de l'ordre de 0,25 fois la longueur de la
pale
alors que le diamètre du sommet du tronc de cône servant à la réalisation du
bord de fuite 6 est de l'ordre de 0,083 fois cette longueur.
Le rotor ainsi constitué de ces pales 4 en rotation autour de l'axe 2
matérialisé par l'arbre 1, est utilisable notamment dans un dispositif de
génération d'énergie électrique, en particulier pour des éoliennes. Dans ce
cadre,
et tel que représenté notamment aux figures 1 et 3, l'arbre du rotor est
couplé à
une génératrice 10 permettant de produire l'énergie électrique. L'ensemble est
monté pivotant autour d'un axe vertical, de sorte à permettre son
positionnement
automatique dans le sens du vent.
Selon le mode d'exécution illustré, l'ensemble est supporté par une base
7 reliée par des bras de support 12a, 12b d'orientation sensiblement verticale
à
des paliers avant 8 et arrière 9 guidant la rotation de l'arbre 1. La base 7
est elle-
même avantageusement montée pivotante pour réaliser une fonction de
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girouette et s'adapter à la direction du vent lorsque l'écoulement fluidique
est du type éolien.
Un coffret électrique 11 est également représenté pour la commande de
l'ensemble. Ce coffret peut être au pied du mât servant à élever l'éolienne si
5 nécessaire.
Selon l'invention, la configuration du rotor est modifiable suivant la vitesse
de l'écoulement fluidique. En particulier, l'obliquité des pales 4 est
variable et
avantageusement asservie à la vitesse de l'écoulement.
La variation de l'obliquité des pales s'effectue préférentiellement dans le
1o plan YZ illustré aux figures 5 et 6 constitué par un plan sensiblement
perpendiculaire au plan défini par les bords longitudinaux des pales.
Toujours à titre préféré, pour des raisons d'équilibrage dynamique, la
variation de l'obliquité est identique et simultanée pour chacune des pales 4.
Différents moyens de commande de la variation de cette obliquité peuvent
être prévus.
En référence aux dessins, on a représenté un mode de réalisation dans
lequel chaque pale 4 est reliée à l'arbre 1 par l'intermédiaire d'un organe
d'accouplement 13 notamment par une articulation 18 en pivot.
Cette articulation peut être réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif à
axe
fileté en outre éventuellement déplaçable dans un trou oblong formé sur la
pale
de sorte à permettre également le réglage de l'obliquité selon une direction
XY
en référence aux figures 5 et 6.
Plus en arrière du rotor, un organe d'accouplement 14 monté sur l'arbre 1
coopère avec des liaisons 15, 16, 17 connectant chacune l'organe
d'accouplement 14 à une pale 4. De manière préférée, l'organe 14 fait office
de
moyeu.
A titre préféré, les extrémités de chaque liaison sont articulées en rotule
par
rapport à l'organe d'accouplement 14 et à l'extrados des pales 4.
Telle que schématisée, la variation de l'obliquité des pales 4 est produite
par une variation de longueur des liaisons 15, 16, 17. A cet effet, chaque
liaison
peut comprendre un vérin électrique, pneumatique ou hydraulique et commandé.
Suivant une solution alternative, l'organe d'accouplement 14 est déplaçable
le long de l'arbre 1 de sorte à modifier l'inclinaison des liaisons 15, 16, 17
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produisant un rapprochement ou un éloignement des bords de fuite 6
relativement à l'arbre 1.
Bien que la commande puisse être manuelle, il est avantageux de prévoir
des moyens automatiques aptes à produire la variation de l'obliquité des pales
4,
de sorte que la vitesse de rotation soit quasi constante. A cet effet,
l'installation
comporte avantageusement des moyens de mesure de la vitesse de
l'écoulement fluidique, en particulier sous forme d'anémomètre électronique
dans
le cas d'une installation éolienne. Ces moyens de mesure sont reliés à un
circuit
d'asservissement apte à produire un signal de sortie de commande des moyens
assurant la variation de l'obliquité. Ces moyens de manoeuvre des pales
peuvent
être mécaniques, électromécaniques, pneumatiques ou hydrauliques.
On comprend aisément que dès qu'une variation de vitesse est mesurée, la
configuration du rotor est adaptée en particulier pour diminuer l'obliquité en
cas
de vent fort. Offrant alors moins de résistance à l'air, les pales 4 sont
soumises à
des contraintes mécaniques moindres que celles qu'elles auraient subies en
restant dans une position plus oblique.
A titre avantageux, l'obliquité est réglable entre 0 et 45 .
Par ailleurs, les ordres de commande d'actionnement des pales sont
avantageusement acheminés par l'intermédiaire de l'axe de rotation 2 qui est
creux.
Outre la récupération optimale de l'énergie du fluide, quelle que soit la
force
de l'écoulement, l'invention permet une plus grande sécurité en faisant tendre
l'angle d'obliquité vers 0. On peut également y associer un frein 19 à disque
à
commande hydraulique ou mécanique installé en bout d'arbre 1 sous le vent. On
évite également les vibrations mécaniques incontrôlées qui peuvent se produire
actuellement si la vitesse de rotation est excessive. On constate par ailleurs
un
abaissement du niveau sonore grâce à une vitesse de rotation quasi-constante.
Cette constance améliore par ailleurs la fiabilité de l'ensemble.
Les figures 8 et 9 montrent une variante de réalisation des bordures
3o extérieures aval 21 et amont 20 rallongées par rapport au plan (x, z).
Dans l'exemple précis précédemment décrit, par vent moyen, l'obliquité
pourra prendre une valeur d'environ 30 . A cette valeur, le bord d'attaque
sera
dans un plan contenant la perpendiculaire à la pale passant par l'axe de
rotation
et faisant un angle de 25 avec cet axe et ce, en avant de la pale. Ceci a
pour
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effet de rallonger la bordure extérieure de la pale et augmente ainsi la
surface
efficace de la pale 4 de l'ordre de 6% ce qui contribue encore à améliorer le
rendement énergétique.
