CH703018A2 - Wind turbine driving system for wind turbine park, has epicyclic type multiplier provided with two shafts that are connected to contra-rotating helixes of wind turbine and third shaft that is directly connected to rotor of generator - Google Patents

Abstract

The system has an epicyclic-type multiplier with two shafts that are connected to contra-rotating helixes (10, 11) of a wind turbine. A third shaft of the multiplier is directly connected to a rotor of an electric generator (8) e.g. radial or axial magnetic flux-type generator. The helixes drive the generator through the multiplier, where the multiplier is a part of the rotor of the generator.

Description

[0001] La présente invention concerne l’entraînement d’une génératrice électrique ou d’un autre dispositif nécessitant une source d’énergie provenant d’une éolienne. Elle se caractérise par la présence de deux hélices contrarotatives placées des deux cotées du mât qui entraînent une seule génératrice dont l’axe de rotation est parallèle à l’axe de rotation des hélices. The present invention relates to the drive of an electric generator or other device requiring a power source from a wind turbine. It is characterized by the presence of two counter-rotating propellers placed on both sides of the mast which lead to a single generator whose axis of rotation is parallel to the axis of rotation of the propellers.

[0002] Le sens de rotation opposé des hélices est obtenu par des profils aérodynamiques appropriés. La régulation du nombre de tours de chaque hélice peut se faire de façon similaire aux solutions connues jusqu’à présent. The opposite direction of rotation of the propellers is obtained by appropriate aerodynamic profiles. The regulation of the number of revolutions of each helix can be done in a manner similar to the solutions known hitherto.

État d’artState of art

[0003] Selon la pratique courante, les éoliennes commercialisées actuellement possèdent une seule hélice. Théoriquement, le rendement aérodynamique de l’entraînement par une hélice ne peut pas dépasser 59.6% (selon Betz, 1926). Dans la pratique, ce résultat est encore plus faible (env. 45%-50% dans les meilleures conditions). Le rendement maximal ne concerne que la vitesse du vent optimale du point de vue du nombre de pales et de leur d’aérodynamique. Le rapport de vitesse du sommet de la pale et celle du vent se situe dans ce cas-là pour un rotor tripal autour de 6-7. Une solution avantageuse pour augmenter le rendement maximal et augmenter la plage des rendements optimum d’une éolienne consiste à concevoir un système à deux hélices contrarotatives. Du fait d’un certain éloignement de deux hélices, le rendement total d’un tel dispositif est supérieur à la limite de Betz qui, à la base s’applique à une surface perpendiculaire à la direction du vent relative à une seule hélice. [0003] In current practice, currently marketed wind turbines have a single propeller. Theoretically, the aerodynamic efficiency of the drive by a propeller can not exceed 59.6% (according to Betz, 1926). In practice, this result is even lower (about 45% -50% under the best conditions). The maximum efficiency concerns only the optimal wind speed from the point of view of the number of blades and their aerodynamics. The speed ratio of the top of the blade and that of the wind is in this case for a tripal rotor around 6-7. An advantageous solution for increasing the maximum efficiency and increasing the optimum yield range of a wind turbine is to design a system with two counter-rotating propellers. Because of a certain distance from two propellers, the total efficiency of such a device is greater than the Betz limit which, at the base, applies to a surface perpendicular to the direction of the wind relative to a single helix.

[0004] Plusieurs documents présentent déjà des méthodes ou des systèmes d’entraînement à deux hélices. Un des plus anciens, proposé par Schönball (US Patent 3 974 396), décrit un dispositif ou une hélice entraînant un rotor avec une autre hélice entraînant le stator d’une génératrice. D’autre part, il prévoit une possibilité de combinaison des stators et des rotors pour pouvoir régler l’excitation électrique de la génératrice et influencer en même temps la vitesse de rotation des hélices. En ce qui concerne la chaîne cinématique, ledit brevet prévoit une liaison mécanique entre deux hélices. [0004] Several documents already present two-helix methods or drive systems. One of the oldest, proposed by Schönball (US Pat. No. 3,974,396), describes a device or a propeller driving a rotor with another propeller driving the stator of a generator. On the other hand, it provides a possibility of combining the stators and rotors to adjust the electrical excitation of the generator and at the same time influence the speed of rotation of the propellers. As regards the driveline, said patent provides a mechanical connection between two propellers.

[0005] L’autre brevet connu: US patent 5 506 453 de McCombs décrit un arrangement avec deux hélices, entraînant directement le rotor et le stator d’une génératrice. La régulation du nombre de tours d’ensemble peut se faire par un mécanisme agissant sur l’inclinaison des pales ou un autre dispositif. The other known patent: US patent 5,506,453 to McCombs describes an arrangement with two propellers, directly driving the rotor and the stator of a generator. The regulation of the number of overall turns can be done by a mechanism acting on the inclination of the blades or another device.

[0006] Les deux brevets d’Appa: US Patent 6 127 739 et 6 278 197 sont basés sur un principe similaire par rapport au brevet de McCombs en ce qui concerne l’entraînement de la génératrice. La différence par rapport aux brevets précédents se situe dans la construction des pales; celles-ci possèdent des canaux longitudinaux permettant le passage de l’air qui est aspiré au centre de rotation et éjecté à l’extrémité des pales par la force centrifuge. La direction de la sortie de l’air est tangentielle à la circonférence décrite par les extrémités des pales. Ceci a été prévu pour augmenter le rendement aérodynamique de l’hélice. The two Appa patents: US Pat. No. 6,127,739 and 6,278,197 are based on a similar principle with respect to the McCombs patent with respect to the drive of the generator. The difference from previous patents lies in the construction of the blades; these have longitudinal channels allowing the passage of air which is sucked to the center of rotation and ejected at the end of the blades by the centrifugal force. The direction of the air outlet is tangential to the circumference described by the ends of the blades. This has been planned to increase the aerodynamic efficiency of the propeller.

[0007] Le brevet de Shin US Patent 5 222 924 prévoit les deux hélices de taille différente placées des deux cotés du mât. À la différence de notre invention, la génératrice est placée verticalement et la liaison cinématique entre deux hélices possède un rapport de transmission fixe. Par conséquent, il n’est pas possible de régler séparément la vitesse de rotation de chaque hélice. Ceci entrave la possibilité de trouver un point de fonctionnement optimal de l’éolienne. The patent of Shin US Patent 5 222 924 provides the two propellers of different size placed on both sides of the mast. Unlike our invention, the generator is placed vertically and the kinematic connection between two propellers has a fixed transmission ratio. Therefore, it is not possible to separately adjust the rotational speed of each propeller. This hampers the possibility of finding an optimal operating point of the wind turbine.

[0008] Le brevet de Debleser US Patent: 6 504 260 prévoit une configuration à double hélice contrarotative qui entraîne de façon directe deux génératrices séparées sans aucune liaison cinématique entre elles. The patent of Debleser US Pat. No. 6,504,260 provides a counter-rotating double helix configuration which directly drives two separate generatrices without any kinematic connection between them.

[0009] Le brevet de Wacinski US Patent: 7 384 239 décrit une configuration à une double hélice contrarotative qui se caractérise par un emplacement de deux hélices de même côté du mât qui entraînent une seul génératrice. The patent of Wacinski US Pat. No. 7,384,239 describes a configuration with a counter-rotating double helix which is characterized by a location of two propellers on the same side of the mast which drive a single generator.

Nouvelle inventionNew invention

[0010] Les configurations préférentielles conformes à notre invention sont illustrées par les figures suivantes: <tb>Fig. 1<sep>montre une vue générale de l’éolienne construite selon le présent brevet. <tb>Fig. 2<sep>montre la section passant par l’arbre principal d’une configuration avec un multiplicateur épicycloïdal placé à l’intérieur d’un rotor d’une génératrice de type RFPM (Radial Flux Permanent Magnet). <tb>Fig. 3<sep>montre la section passant par l’arbre principal d’une configuration avec un multiplicateur épicycloïdal placé dans un rotor d’une génératrice de type AFIPM (Axial Flux Interior Permanent Magnet).The preferred configurations according to our invention are illustrated by the following figures: <Tb> Fig. 1 <sep> shows a general view of the wind turbine built according to this patent. <Tb> Fig. 2 <sep> shows the section passing through the main shaft of a configuration with an epicyclic multiplier placed inside a rotor of a RFPM generator (Radial Flux Permanent Magnet). <Tb> Fig. 3 <sep> shows the section passing through the main shaft of a configuration with an epicyclic multiplier placed in a rotor of an Axial Flux Interior Permanent Magnet (AFIPM) type generator.

[0011] La fig. 1 montre l’arrangement préférentiel selon le présent brevet: les deux hélices 10 et 11 qui possèdent un diamètre différant, tournent en sens contraire. Elles sont placées de deux côtés du mât tubulaire 9. La génératrice se trouve à l’intérieur de la nacelle 8. FIG. 1 shows the preferred arrangement according to this patent: the two helices 10 and 11 which have a different diameter, turn in opposite directions. They are placed on two sides of the tubular mast 9. The generator is located inside the pod 8.

[0012] Conformément à la fig. 2, la première hélice 10 est supportée par l’arbre 12. Ledit arbre est guidé par les roulements (paliers) 22 et 23. L’autre hélice (11) est supportée par l’arbre 13 qui à son tour est guidé par les roulements (paliers) 14 et 16. Les paliers 16 et 23 sont solidaires au carter tournant 24 qui, a son tour, remplit la partie interne du rotor 25. Le carter 24 est entraîné par la roue solaire 26 de l’engrenage planétaire. Sa rotation est déterminée par le mouvement des satellites 27 et la couronne 28. Le port-satellite 17 est cinématiquement lié à l’hélice 10 et la couronne 28 à la deuxième hélice (11). La couronne 28 et un port satellite 17 tournent dans le sens opposé. Selon la configuration préférentielle, le rotor avec ces aimants 29 est guidé par les roulements (paliers) 21 et le stator 20 est fixé sur la structure de la nacelle 8. L’accouplement 30 est prévu pour permettre la transmission de la puissance et le positionnement adéquat entre le carter tournant 24 et le rotor 25. According to FIG. 2, the first propeller 10 is supported by the shaft 12. Said shaft is guided by the bearings (bearings) 22 and 23. The other propeller (11) is supported by the shaft 13 which in turn is guided by the bearings (bearings) 14 and 16. The bearings 16 and 23 are integral with the rotating housing 24 which, in turn, fills the inner portion of the rotor 25. The housing 24 is driven by the sun gear 26 of the sun gear. Its rotation is determined by the movement of the satellites 27 and the ring 28. The satellite port 17 is kinematically linked to the helix 10 and the ring 28 to the second helix (11). The ring 28 and a satellite port 17 turn in the opposite direction. According to the preferred configuration, the rotor with these magnets 29 is guided by the bearings (bearings) 21 and the stator 20 is fixed on the structure of the nacelle 8. The coupling 30 is provided to allow the transmission of the power and the positioning between the rotating housing 24 and the rotor 25.

[0013] Selon l’autre variante telle que montré sur la fig. 3 le système possède les mêmes caractéristiques techniques. La différence principale consiste à remplacer la génératrice à flux radial (RFPM) par celle qui est à flux axial (AFIPM). Comme dans le premier système, les hélices sont connectées respectivement à la couronne 28 et au port satellite 17 du multiplicateur. Les aimants 29 sont fixés sur la partie verticale des deux côté du carter du multiplicateur. Les deux stators 20 sont fixés sur les supports liés à la nacelle 8. According to the other variant as shown in FIG. 3 the system has the same technical characteristics. The main difference is to replace the Radial Flux Generator (RFPM) with the Axial Flow Generator (AFIPM). As in the first system, the propellers are connected respectively to the ring 28 and the satellite port 17 of the multiplier. The magnets 29 are fixed on the vertical part of both sides of the multiplier housing. The two stators 20 are fixed on the supports connected to the nacelle 8.

[0014] Selon les configurations proposées, la vitesse de rotation du rotor de la génératrice sera proportionnelle à la somme des vitesses de chaque hélice, soit: ω19 ~ |ω10| + |ω11| According to the proposed configurations, the rotational speed of the rotor of the generator will be proportional to the sum of the speeds of each propeller, ie: ω19 ~ | ω10 | + | ω11 |

[0015] Dès lors, les trois couples de rotation sont liés par la relation suivante: M12 + M25 = M13Où respectivement: Therefore, the three pairs of rotation are linked by the following relation: M12 + M25 = M13 Where:

[0016] M12est le couple provenant de l’hélice 10 agissant sur l’arbre 12 M12 is the torque from the propeller 10 acting on the shaft 12

[0017] M13est le couple provenant de l’hélice 11 agissant sur l’arbre 13 M13 is the torque from the propeller 11 acting on the shaft 13

[0018] M25est le couple de la roue solaire qui entraîne le rotor 25. M25 is the torque of the sun gear which drives the rotor 25.

[0019] On peut en déduire que les couples M12 et M13ne sont pas égaux et, par exemple, la différence pour la multiplication i=10 est d’ordre de 10%. It can be deduced that the pairs M12 and M13ne are not equal and, for example, the difference for the multiplication i = 10 is of the order of 10%.

[0020] Selon l’autre variante, le nombre de pales dans chaque hélice est différent et le diamètre de chacune est différent. According to the other variant, the number of blades in each helix is different and the diameter of each is different.

[0021] En cas de nécessité, les hélices sont arrêtées par des freins 18 et 19. If necessary, the propellers are stopped by brakes 18 and 19.

Avantage de la présente invention:Advantage of the present invention:

[0022] Un premier avantage est de proposer un dispositif permettant d’augmenter le rendement aérodynamique d’une éolienne. Ceci se traduit par la possibilité d’extraire plus d’énergie d’une surface de terre/mer allouée pour une ferme éolienne. A first advantage is to provide a device for increasing the aerodynamic efficiency of a wind turbine. This translates into the possibility of extracting more energy from a land / sea area allocated for a wind farm.

[0023] Un autre avantage de l’invention est de proposer une solution où l’augmentation de la puissance passe par l’addition de la vitesse relative de rotation des hélices et non pas par l’augmentation du couple traversant la chaîne cinématique lié à l’augmentation de la longueur des pales. Étant donné que la masse et la grandeur du multiplicateur sont déterminées par le couple transmissible et le nombre d’étages de multiplication pour la puissance donnée, la grandeur du multiplicateur peut être considérablement diminuée. Another advantage of the invention is to propose a solution where the increase in power passes through the addition of the relative speed of rotation of the propellers and not by the increase in the torque traversing the kinematic chain related to the increase of the length of the blades. Since the mass and the magnitude of the multiplier are determined by the transmittable torque and the number of multiplication stages for the given power, the magnitude of the multiplier can be considerably reduced.

[0024] L’avantage suivant consiste à maintenir à un niveau similaire la réaction mécanique du système d’entraînement sur le mât malgré l’augmentation de la puissance. Ceci vient du fait que la réaction dans la direction du vent augmente, mais que la réaction due au couple engendré par une hélice et reprise par l’autre hélice et le système reste en quasi-équilibre dans le plan perpendiculaire à la direction du vent. The next advantage is to maintain at a similar level the mechanical reaction of the drive system on the mast despite the increase in power. This is because the reaction in the wind direction increases, but the reaction due to the torque generated by one helix and taken up by the other helix and the system remains in equilibrium in the plane perpendicular to the wind direction.

[0025] L’avantage supplémentaire consiste en ce que le freinage de deux hélices est fait de sorte que le couple de freinage provenant d’une hélice est compensé par le couple de l’autre - d’où un faible effort sur le châssis de la nacelle par rapport à la solution à une hélice. Un avantage supplémentaire consiste en ce que le multiplicateur tourne autour de son propre axe central favorisant ainsi un échange thermique avec l’air ambiant, d’où la possibilité de diminuer fortement voire supprimer le système de refroidissement. The additional advantage is that the braking of two propellers is made so that the braking torque from a propeller is compensated by the torque of the other - hence a low effort on the chassis of the nacelle compared to the solution to a propeller. An additional advantage is that the multiplier rotates around its own central axis thus promoting a heat exchange with the ambient air, hence the possibility of greatly reducing or even eliminate the cooling system.

Claims (6)

1. Système d’entraînement d’une éolienne à deux hélices contrarotatives placées des deux côtés du mât, comprenant un multiplicateur de type épicycloïdal caractérisé en ce que deux arbres dudit multiplicateur sont connectés aux hélices respectives et le troisième arbre, qui a la vitesse rapide, est connecté directement au rotor, ou constitue la partie intégrante du rotor d’une génératrice électrique,1. A drive system of a twin counter-rotating propeller wind turbine placed on both sides of the mast, comprising an epicyclic type multiplier characterized in that two shafts of said multiplier are connected to the respective propellers and the third shaft, which has the fast speed , is connected directly to the rotor, or constitutes the integral part of the rotor of an electric generator, 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que la génératrice est de type à flux magnétique radial.2. System according to claim 1 characterized in that the generator is of radial magnetic flux type. 3. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que la génératrice est de type à flux magnétique axial.3. System according to claim 1 characterized in that the generator is of axial magnetic flux type. 4. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque hélice peut avoir un diamètre et un nombre de pâles différents.4. System according to claim 1 characterized in that each helix may have a different diameter and a number of pale. 5. Système caractérisé en ce que la synchronisation mécanique ou électronique du mouvement des hélices est introduite.5. System characterized in that the mechanical or electronic synchronization of the movement of the propellers is introduced. 6. Une ferme éolienne caractérisée en ce qu’elle est constituée d’au moins une installation suivant au moins l’une des revendications précédentes.6. A wind farm characterized in that it consists of at least one installation according to at least one of the preceding claims.