CA2018199C

CA2018199C - Eolienne a stator

Info

Publication number: CA2018199C
Application number: CA002018199A
Authority: CA
Inventors: Gilles Ouellet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-04
Filing date: 1990-06-04
Publication date: 1993-07-27
Anticipated expiration: 2010-06-04
Also published as: CA2018199A1; US5126584A

Abstract

L'éolienne divulguée est constituée d'un stator et d'un rotor. Le rotor a la forme d'une longue lame bombée à arêtes tranchantes, symétrique par rapport à un axe longitudinal. Le stator qui entoure et supporte le rotor comprend un plateau inférieur qui agit comme base, un plateau supérieur parallèle au plateau inférieur et un jeu de pales verticales identiques et également espacées reliant les deux plateaux. Dans une première réalisation, chaque pale est formée d'un volet extérieur fixe reliant les deux plateaux et d'un volet intérieur mobile pouvant pivoter autour de son axe longitudinal. Dans une autre réalisation, les pales sont monobloc et peuvent pivoter librement sur des mâts dont les extrémités sont fixées aux deux plateaux. Dans les deux cas, on prévoit un mécanisme d'asservissement responsable de l'orientation angulaire des volets mobiles.

Description

20~8199 INTRODUCTION

Domaine de l'invention:

La présente invention concerne une éolienne destinée, en particulier mais non exclusivement, à
actionner une génératrice d'électricité.

Description de l'art antérieur:
Afin d'établir le degré de nouveauté et de brevetabilité de l'invention, une recherche a été
effectuée dans l'art antérieur qui a révélé les brevets suivants:
Brevets français Nos.:
515,879 593,840 1,111,673 Brevets américains Nos.:
918,364 1,365,371 4,047,834 4,415,814 4,486,143 4,551,631 Cette recherche permet de constater, de façon surprenante d'ailleurs, le peu d'importance qu'accordent les inventeurs à l'aérodynamisme qui est pourtant primordial dans le cas de machine destinée à utiliser le vent comme source d'énergie. Si l'on compare, par exemple, le moulin hollandais et l'hélice bipale rapide qui fonctionnent tous les deux selon le concept de 2018~99 l'hélice, on constate que le rendement aérodynamique du moulin est de 18% alors que celui de l'hélice bipale est de 45%. La cause en est que cette dernière est le résultat d'un aérodynamisme soigné alors qu'il est pratiquement inexistant dans la conception du moulin.
On note aussi, dans ces brevets que tous les rotors sans exception sont des roues qui fonctionnent selon le principe de la trainée, ces machines étant considérées comme ayant de bas rendement aérodynamique ne dépassant pas 20% et que leurs caractéristiques les rendent impropres à produire de l'électricité.
Il est remarquable également que toutes ces machines utilisent, sous une forme ou un autre, le principe de l'entonnoir. Le demandeur a expérimenté ce lS principe et à son avis il n'y a aucune puissance à retirer d'une telle construction car la pression à l'entrée, c'est-à-dire dans la partie ayant le plus grand diamètre est la même que celle à l'entrée de la turbine, soit la partie ayant le plus petit diamètre. La même chose s'applique à l'entonnoir de sortie, bien que l'écoulement de l'air à cet endroit se fasse en sens inverse.
En outre, les systèmes de contrôle et de régulation des machines décrites dans les brevets U.S.
4,415,814 et 4,551,631 sont munis de volets situés entre le stator et le rotor. En fonctionnement, les volets parallèles au sens du vent sont fermés et ceux perpendiculaires au sens du vent sont ouverts ce qui a pour résultat de former un entonnoir à l'entrée de la turbine et une autre à la sortie; ils doivent être manoeuvrés à chaque fois que le vent change de direction.
En résumé ces machines sont dépendantes de la direction du vent et l'addition d'une série de volets augmente l'encombrement et diminue le rendement.
En ce qui concerne le brevet U.S. 1,365,371, il décrit un appareil destiné à propulser un bateau ou un avion plutôt qu'une éolienne. Il est à remarquer aussi qu'une des faces de la pale présente une forme convexe alors que l'autre face présente une forme concave.
Les autres brevets n'ont qu'un intérêt éloigné
en ce qui concerne la présente invention.

SOMMAIRE DE L'INVENTION

Un premier objet de l'invention consiste à
réaliser une éolienne à rotor et à stator dont le profil transversal du rotor ainsi que celui du stator est aérodynamisé afin d'en améliorer le rendement.
Un autre objet réside en ce que l'éolienne selon l'invention est de type à portance dont le rendement peut atteindre 45%, par opposition à celles des brevets ci-dessus qui sont à trainée et qui ont un rendement ne dépassant pas 20%, comme mentionné ci-dessus.
Un objet additionnel est de réaliser une éolienne qui ne soit pas dépendante de la direction du vent et de la présence de volets entre le stator et le rotor, comme c'est le cas par exemple, dans les brevets U.S. 4,415,814 et 4,551,631, comme il est mentionné
précédemment.
Enfin, l'éolienne selon l'invention fait usage d'un rotor à faces bombées, ou convexes; forme qui détermine que l'éolienne est de type à portance et non à
trainée.
Plus précisément, et conformément à ce qui précède, l'éolienne selon l'invention comprend:
- un plateau inférieur et un plateau supérieur;
- un rotor sous la forme d'une longue lame bombée présentant deux arêtes opposées tranchantes, cette lame étant symétrique par rapport à un axe longitudinal;

- des moyens montant la lame sur les plateaux, en rotation libre autour de son axe longitudinal; et - un jeu de pales identiques allongées à profil aérodynamique, disposées à écartement égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe longitudinal du rotor et montées, à leurs extrémités, sur les plateaux, ces pales étant orientées d'un angle égal par rapport au diamètre dudit cercle de façon à optimiser la poussée sur le rotor pour en causer la rotation.
Selon une version particulière et préféren-tielle, l'éolienne est caractérisée en ce que chacune des pales comporte un volet extérieur à bord d'attaque; ce volet étant fixé, à ses extrémités, aux plateaux inférieur et supérieur; et un volet intérieur à bord de fuite monté
de fa,con à ce qu'il puisse pivoter entre une position active, où il est enligné avec le volet extérieur et forme avec celui-ci le profil aérodynamique, et une position inactive où il est disposé à angle par rapport au volet extérieur.
Selon une autre réalisation, l'éolienne est caractérisée en ce que:
- les plateaux sont reliés entre eux par des mâts cylindriques disposés à écartement angulaire égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe longitudinal du rotor et dont les extrémités sont fixées aux plateaux;
- les pales sont montées libre en pivotement, chacune sur un de ces mâts; et - des moyens sont prévus qui permettent de contrôler simultanément et d'une même angularité le degré
de pivotement des pales.
On donne ci-après une description de ces réalisations préférentielles avec renvois aux dessins annexés. Ces réalisations sont toutefois indicatives de ~018199 l'invention et ne la limitent pas.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
s La Figure 1 est une vue en élévation d'une éolienne selon une première réalisation;
La Figure 2 est une vue en plan du dessus, La Figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III-III dans la Figure 1, les pales du stator étant en position de fonctionnement;
La Figure 4 est une vue semblable à celle de la Figure 3 mais avec les pales du stator en position inactive;
La Figure 5 est une vue en perspective de la lame du rotor;
La Figure 6 est un diagramme illustrant la configuration de l'écoulement de l'air dans l'éolienne;
La Figure 7 est une vue en perspective d'un type de stator;
La Figure 8 est une vue en coupe transversale semblable à celle de la Figure 3 mais selon une autre réalisation de l'invention;
La Figure 9 est une vue en coupe transversale de cette autre réalisation en position fermée ou inactive de l'éolienne;
La Figure 10 est une vue partielle en coupe verticale d'un côté seulement de l'éolienne des Figures 8 et 9;
La Figure 11 est un schéma d'opération de l'éolienne selon la seconde réalisation;
La Figure 12 est une vue en plan d'un autre système d'asservissement pouvant s'appliquer aux deux réalisations des Figures 1 et 8, les Figures 13 et 14 étant des vues de face et arrière DESCRIPTION COMPLETE DES REALISATIONS PREFERENTIELLES

Référant aux Figures 1 à 5, l'éolienne verticale 1 y est consituée d'un stator 3 et d'un rotor 5.
Le stator comprend un plateau inférieur 7 qui agit comme base; un plateau supérieur 9 et un jeu de huit pales verticales identiques 11 les reliant, chaque pale étant formée d'un volet extérieur fixe 13 et d'un volet intérieur mobile 15. Un mécanisme 17, ou moyens d'asservissement, est responsable de l'orientation angulaire des volets intérieurs mobiles 15.
Le rotor 5 a la forme d'une longue lame monobloc bombée (ou convexe) à double arête tranchante 19;
elle est symétrique par rapport à un plan central s'étendant le long de son axe longitudinal 21 comme on le voit bien à la Figure 5. Elle est montée en pivotement sur les plateaux 7, 9 au moyen d'un arbre 23 dont les fusées d'extrémité tourillonnent librement dans un palier de butée 25 de la base 7, d'une part (Figure 1), et un palier de fusée 27 du plateau 9, d'autre part; les deux paliers étant de construction conventionnelle et anti-friction.
Le rotor est donc entièrement libre de tourner au gré du vent autour de son axe longitudinal 21. Il est de plus relié à une génératrice d'électricité, non illustrée, au moyen de tout accouplement connu symbolisé
ici par une roue d'engrenage 29 à son extrémité
inférieure. Le mode de fonctionnement du rotor est comparable à celui d'une aile d'avion dont l'angle d'attaque varierait constamment.
D'autre part les huit pales 11 du stator 3 sont des pièces allongées à profil aérodynamique et sont disposées à écartement égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe 21 du rotor. En position de pleine puissance, comme à la Figure 3, les pales sont orientées selon un angle de 45 par rapport au diamètre du cercle de S façon à optimiser la poussée sur le rotor pour en causer la rotation, comme on l'explique davantage ci-après, en relation avec la description de la Figure 6.
Dans la forme particulière de cette réali-sation, les volets extérieurs 13 sont fixés, à leurs extrémités, pour se solidariser, aux plateaux 7 et 9 et compléter le stator. Par contre, les volets intérieurs sont fixés à des arbres 31 dont les fusées d'extrémité
tourillonnent dans des paliers des plateaux 7 et 9 de la même façon que les fusées d'extrémité de l'arbre 23 du rotor 5.
On notera que le bord d'attaque 33 de chaque volet extérieur 13 est arrondi et que le bord de fuite de chaque volet intérieur 15 a une arête tranchante. En position de pleine puissance, les volets 13 et 15 sont bloqués en enlignement le long de surfaces obliques 37 et 39. De cette facon, et au moyen d'un mécanisme d'asservissement décrit ci-après, on peut faire pivoter les volets intérieurs simultanément et à angles égaux entre une position active de l'éolienne, où les volets s'enlignent et épousent un profil aérodynamique d'ailes d'avion (Figure 3), et une position inactive de l'éolienne où les volets intérieurs croisent les volets extérieurs (Figure 4).
Le mécanisme d'asservissement mentionné ci-dessus comporte des pignons 41 (Figure 2) fixés à l'extré-mité supérieure des arbres 31 et s'engrenant avec une couronne 43 dentée intérieurement et pouvant tourner dans des supports 45 munis de coussinets anti-friction. La couronne et les pignons sont mis en rotation, manuellement ou mécaniquement, par un autre pignon 47 monté sur le plateau supérieur 9. Il s'agit ici d'un mécanisme conventionnel qui n'a évidemment rien d'inventif.
L'orientation des pales 11, dans la Figure 3, à
par rapport au diamètre du rayon du cercle desdites pales, permet de régulariser l'écoulement de l'air à
l'intérieur de l'éolienne de facon à tirer le maximum de puissance de l'appareil. Ici, toutes les pales sont mises à contribution. Cette forme est, à peu de chose près la même partout autour du rotor et le demeure quelque soit la direction du vent, étant donné que le stator est tout à
fait symétrique. Sur la Figure 4, où l'éolienne est au repos, cette forme est modifiée et le débit d'air à
l'intérieur diminue considérablement.
Si l'on se réfère maintenant au diagramme de la Figure 6, la configuration de l'écoulement de l'air dans l'éolienne qui est la représentation graphique des courants d'air circulant dans l'espace comprise entre les pales 11, représentation obtenue par la méthode dite du brin de laine qui consiste à laisser flotter un brin de laine autour ou à l'intérieur d'un objet soumis à l'action du vent, on peut observer que l'action conjuguée des pales 11 du stator et du vent engrendre un mouvement tourbillonnaire sur environ les 3/4 dans l'espace dans lequel le rotor 5 se meut. Ceci permet de conclure que le rotor 5 est sollicité des deux côtés à la fois sur les 3/4 de sa course.
La Figure 7 illustre le stator 49 d'une éolienne du type décrit ci-dessus où les pales 51 sont constituées chacune d'un volet fixe 53 et d'un volet mobile 55. Dans ce cas-ci, les pales sont inclinées uniformément vers le rotor en direction du plateau supérieur 57 de sorte que le stator a une forme tronconique. En outre, les volets fixes 53 sont reliés solidairement entre eux par un anneau d'entretoise 61, entre les plateaux 57 et 59. L'inclinaison des volets fixes 53 en cône tronqué, dans une installation de grande taille, permet de tenir compte du facteur d'augmentation de la vitesse du vent dû à l'élévation et permet de maintenir la force du vent constante sur l'axe du rotor.
Les Figures 8, 9 et 10 illustrent, comme il a été dit précédemment, une seconde réalisation de l'invention. Dans celle-ci, les plateaux 63 et 65 sont reliés entre eux par des mâts cylindriques 67, les bouts de ces derniers étant fixés aux plateaux. Ces mâts sont disposés à écartement angulaire égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe longitudinal 69 du rotor 71. Les pales 73 sont ici monoblocs et montées libres en pivotement sur les mâts 67. Elles sont mues en pivotement par un mécanisme, semblable, à celui de la Figure 2, illustré à
la Figure 9. Ce mécanisme prend ici la forme de pignons 75 en L dont la branche verticale coulisse autour des mâts 67 et est fixée aux extrémités des pales 73. La branche horizontale des pignons est dentée et s'engrenne avec une couronne dentée intérieurement 77 soutenue par un support 79 fixé sous le plateau supérieur 63. Un pignon additionnel qui n'est pas illustré, semblable au pignon de commande 47 de la Figure 2, s'engrenne également avec la couronne 77 et permet, lorsqu'actionné par tout moyen approprié, de contrôler simultanément le degré de pivotement des pales 73. Ces dernières reposent sur des paliers anti-friction 81 prévus sur le plateau inférieur 6S.
On remarquera qu'ici chaque pale 73 est une longue lame bombée à double tranchant et qu'elle est symétrique par rapport à un plan central s'étendant le long de son axe longitudinal. Elle a donc la même forme que le rotor 71.

Dans ce cas ci, il ne s'agit donc plus de pales (11) à volets fixes (13) soutenant des plateaux (7 et 9) et à volets mobiles (15) contrôlant l'orientation du vent mais de mâts fixes 67 soutenant les plateaux 63 et 65 et autour desquels les pales monoblocs 73 peuvent pivoter. Le fonctionnement est semblable dans les deux réalisations sauf que les pales mobiles 73 de la seconde réalisation peuvent pivoter sur 90 ce qui permet d'inverser le sens de rotation du rotor 71 comme l'illustre le schéma de la Figure 10. Si les pales 73 sont pivotées, comme en a, le rotor 71 tournera dans le sens anti-horaire selon la flèche a'; si elles le sont selon la flèche b, le rotor tournera selon la flèche b'.
Dans cette seconde réalisation, et en donnant aux pales 73 une largeur appropriée, elles pourront constituer une enceinte circulaire fermée, comme le montre la Figure 8, ce qui empêchera tout air de circuler à
l'intérieur lorsque l'éolienne sera au repos.
Si les angles correspondant aux positions a' et b' sont de 45 , sur l'axe horizontal 83, alors le rotor 71 tournera à la puissance maximum. Si par contre on déplace progressivement les pales 73 vers l'axe horizontal 83 la puissance diminuera elle aussi progressivement jusqu'à ce que le rotor 71-soit pratiquement éventé. On retiendra de ce qui a été dit précédemment que les pales sont synchronisées par le mécanisme d'asservissement et qu'elles font le même angle par rapport au diamètre du cercle autour duquel elles sont inscrites.
Les Figures 12, 13 et 14 proposent, en alternative, un autre système d'asservissement applicable à l'une ou l'autre des deux réalisations décrites ci-dessus. Selon ce système, un câble 91 de commande, de préférence en acier, relie en actionnement des poulies 93 a à _ fixées au bas des volets internes mobiles 15 de la première réalisation (Figure 3) ou au bas des pales mobiles 73 de la deuxième réalisation (Figure 8), dans les prolongements de leur axe de pivotement respectivement 31, 67 au travers des plateaux 7, 65 par exemple. Comme on peut le déduire à l'étude des Figures 12, 13 et 14, le câble 91 s'enroule par le haut autour d'une poulie 93a, en ressort par le bas pour ensuite s'enrouler par le bas autour de la poulie suivante 93b, comme le fait voir clairement la Figure 14, en partie, et ainsi de suite jusqu'à ce que toutes les poulies soient interreliées, les deux extrémités du câble étant reliées pour former un cable sans fin. Une manette de commande 95 est fixée sous une des poulies et des vis 97 de serrage permettant premièrement un ajustement précis de l'angle de chaque volet 11 ou pales 73 de façon à obtenir une meilleure efficacité de l'éolienne et deuxièmement de façon à
empecher que le cable 91 ne glisse sur les poulies 93.
Enfin, le demandeur est d'avis que l'éolienne décrite ci-dessus se qualifie comme moteur pour propulser un bateau. En effet, elle fonctionne sans tenir compte de la direction du vent. Le contrale de la puissance se fait par "throttling", c'est-à-dire qu'il s'agit simplement de changer l'angle des pales du stator. Lorsque ces dernières sont fermées, comme sur la Figure 9, l'éolienne n'offre que peu de prise au vent car elle devient une sorte de tour ronde isolant ainsi complètement le rotor.
Comme on l'a vu, il est facile de renverser le sens de rotation du rotor, donc de l'arbre d'entraînement, ce qui est un grand avantage lors de manoeuvres. Enfin, l'éolienne a une stabilité à toute épreuve car elle est supportée par huit mâts.
Cette éolienne, si montée sur un bateau, permettrait de capter l'énergie du vent même à l'ancre ou à quai soit pour recharger des batteries ou pour fournir l'électricité nécessaire pour la vie à bord.
Il ne s'agit toutefois pas de restreindre l'invention à son usage sur un bateau. Cependant, outre qu'elle puisse servir à pomper l'eau et à produire de l'électricité, l'éolienne selon l'invention et telle que revendiquée peut propulser un bateau ou un véhicule terrestre.

Claims

1. Une éolienne comprenant:
- un plateau inférieur et un plateau supérieur;
- un rotor sous la forme d'une longue lame bombée présentant deux arêtes opposées tranchantes, cette lame étant symétrique par rapport à un axe longitudinal;
- des moyens montant ladite lame sur les plateaux, en rotation libre autour de son axe longitudinal; et - un jeu de pales identiques allongées à profil aérodynamique, disposées à écartement égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe longitudinal du rotor et montées, à leurs extrémités, sur les plateaux, ces pales étant orientées d'un angle égal par rapport au diamètre dudit cercle de façon à optimiser la poussée sur le rotor pour en causer la rotation.

2. Une éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle d'orientation des pales est de 45°.

3. Une éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que:
- chacune des pales comporte un volet extérieur à bord d'attaque; ce volet étant fixé, à ses extrémités, aux plateaux inférieur et supérieur; et un volet intérieur à bord de fuite monté de façon à ce qu'il puisse pivoter entre une position active, où il est enligné avec le volet extérieur et forme avec celui-ci ledit profil aérodynamique, et une position inactive où il est disposé

à angle par rapport au volet extérieur.

4. Une éolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'asservissement permettant le pivotement simultané et d'égale angularité des volets intérieurs; ces derniers étant montés en pivotement, à leurs extrémités, sur les plateaux.

5. Une éolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque pale, en position active, a un angle d'orientation de 45°.

6. Une éolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que, en coupe transversale, le bord d'attaque est arrondi et le bord de fuite a une arête coupante.

7. Une éolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que, en coupe transversale, le bord d'attaque est arrondi et le bord de fuite a une arête coupante.

8. Une éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que:
- les plateaux sont reliés entre eux par des mâts cylindriques disposés à écartement angulaire égal autour d'un même cercle coaxial à l'axe longitudinal du rotor et dont les extrémités sont fixées aux plateaux;
- les pales sont montées libre en pivotement, chacune sur un de ces mâts; et - des moyens sont prévus qui permettent de contrôler simultanément et d'une même angularité le degré
de pivotement des pales.

9. Une éolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque pale a la forme d'une longue lame bombée à arêtes tranchantes; chaque lame de pale étant symétrique par rapport à un plan central s'étendant le long de son axe longitudinal.

10. Une éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'accouplement du rotor à une génératrice d'électricité.

11. Une éolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'accouplement du rotor à une génératrice d'électricité.

12. Une éolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que:
- les plateaux et les pales forment un stator;
et - les pales sont inclinées uniformément vers le rotor, en direction du plateau supérieur, pour donner au stator une forme tronconique.

13. Une éolienne selon la revendication 12, caractérisée en ce que le stator comporte, en outre, au moins un anneau d'entretoise reliant solidairement les volets extérieurs des pales, entre les deux plateaux.