La présente invention concerne des turbines éoliennes et, plusThe present invention relates to wind turbines and, more
particulièrement, des turbines éoliennes conçues pour un rendement optimum lorsqu'el- les sont maintenues dans une orientation particulière 5 par rapport à la direction du vent. Les turbines éoliennes ou les éoliennes du type comportant un moyeu ou un rotor sur lequel sont montées plusieurs pales à surface portante conçues pour tourner autour d'un axe horizontal, fonctionnent généralement 10 avec un rendement optimum lorsque le rotor et les pales sont orientées dans la direction du vent ou sous un an- gle de un ou deux degrés par rapport à cette direction. Afin que le moyeu puisse s'orienter de lui-même dans la direction du vent, il est généralement monté de façon à 15 pouvoir pivoter autour d'un axe de lacet vertical, au même titre qu'un arbre reliant ce moyeu à la charge de la turbine. On a utilisé à la fois des éléments actifs et des éléments passifs pour compenser le mouvement de la- 20 cet d'une turbine éolienne dans le but de maintenir cet- te dernière dans une orientation désirée par rapport à la direction du vent. En ce qui concerne les éléments ac- tifs, on fait généralement appel à un capteur de direc- tion du vent qui, à l'intervention d'un système de com- 25 mande approprié, actionne un élément destiné à imprimer un mouvement de lacet au moyeu en vue d'orienter ce der- nier dans la direction du vent, ainsi qu'un élément main- tenant cette orientation du moyeu aussi longtemps que la direction du vent reste constante. En ce qui concerne 30 les éléments passifs, on se fonde sur un effet de "gi- rouette" dans lequel la charge latérale imposée au moyeu et à la structure collatérale par le vent maintient la turbine en alignement avec la direction du vent. Bien que les éléments actifs permettent d'orienter et de 35 maintenir efficacement la turbine dans la direction du vent, ils impliquent généralement l'utilisation d'un ap2484552 2 pareillage complexe, si bien qu'ils ont tendance à ré- duire le rendement économique de la turbine en élevant ainsi le coût de l'énergie fournie par cette dernière. Le mécanisme passif ou à effet de girouette 5 destiné à compenser le mouvement de lacet d'une turbine s'est avéré relativement efficace lorsqu'il est appliqué à des turbines éoliennes comportant des pales relative- ment courtes et rigides. Toutefois, dans les grandes turbines éoliennes de conception moderne comportant 10 des pales d'une longueur de 38 mètres ou plus, afin de réduire le poids au minimum, ces pales sont parfois réa- lisées en une structure composite et creuse ayant une im- portante élasticité inhérente. Si elles sont montées rigidement sur le moyeu en étant ainsi exposées à des 15 gradients verticaux de vitesse du vent et à des forces de gravitation au cours d'un fonctionnement normal, ces pales de turbines éoliennes ont tendance à se cintrer ou à subir un "battement" de manière cyclique,-contrecarrant ainsi le maintien de l'orientation de la turbine dans la 20 direction du vent. Si, dans le but de rattraper les gradients verticaux de vitesse du vent, les pales sont montées de manière pivotante sur le moyeu et en relation de pivotement par rapport à un axe d' "oscillation" orien- té transversalement à l'axe de rotation du moyeu et de 25 l'arbre, ainsi qu'aux axes longitudinaux des pales, la rotation des pales ainsi montées supprime le battement élastique précité, mais elle entraîne néanmoins une pré- cession horizontale du moyeu et des pales autour de l'axe d'oscillation. Cette précession est le résultat de la 30 rotation et de l'oscillation combinées des pales sous l'influence des gradients'verticaux de vitesse du vent et de la gravitéâet elle a pour effet d'amener la turbine à se déplacer angulairement en dehors de son orientation correcte par rapport à la direction du vent, suite à un 35 mouvement de pivotement autour de l'axe de lacet. 2484552 3 En conséquence, un objet de la présente inven- tion est de fournir une turbine éolienne munie d'élé-ments perfectionnés destinés à compenser son mouvement de lacet dans le but de régler et de maintenir l'orien- 5 tation de cette turbine directement dans le vent. Un autre objet de la présente invention est de fournir une turbine éolienne du type précité, dans la- quelle les éléments de compensation sont de nature pas- sive. 10 Un autre objet encore de la présente invention est de fournir une turbine éolienne du type précité, dans laquelle les éléments de compensation sont économi- ques, si bien qu'ils n'interviennent pas dans une impor- tante mesure dans le coût de la turbine ou de l'énergie 15 produite par celle-ci. Suivant la présente invention, on prévoit une turbine éolienne comportant des éléments passifs desti- nés à compenser son mouvement de lacet, c'est-à-dire à maintenir son orientation généralement dans la direction 20 du vent. Ces éléments de compensation de mouvement de lacet comprennent un élément pour le montage des pales sur le moyeu par leur talon, de telle sorte que le mou- in particular, wind turbines designed for optimum efficiency when they are maintained in a particular orientation with respect to the wind direction. Wind turbines or wind turbines of the type having a hub or rotor on which are mounted a plurality of airfoil blades designed to rotate about a horizontal axis, generally operate at optimum efficiency when the rotor and blades are oriented in the direction of rotation. wind direction or under an angle of one or two degrees from this direction. In order for the hub to orient itself in the direction of the wind, it is generally mounted so as to be pivotable about a vertical yaw axis, as well as a shaft connecting this hub to the load. of the turbine. Both active and passive elements have been used to compensate for the movement of a wind turbine in order to maintain the latter in a desired orientation relative to the wind direction. As regards the active elements, a wind direction sensor is generally used which actuates an element intended to print a yaw movement by means of an appropriate control system. to the hub in order to orient the latter in the direction of the wind, as well as an element maintaining this orientation of the hub as long as the direction of the wind remains constant. As far as the passive elements are concerned, a "garret" effect is used in which the lateral load imposed on the hub and the collateral structure by the wind keeps the turbine in alignment with the wind direction. Although the active elements are effective in orienting and maintaining the turbine in the wind direction, they generally involve the use of a complex apparatus, so that they tend to reduce the economic efficiency. of the turbine thus raising the cost of the energy supplied by the latter. The passive or vane mechanism for compensating the yaw of a turbine has been found to be relatively effective when applied to wind turbines with relatively short and rigid blades. However, in large modern wind turbines with blades of 38 meters or more in length, in order to minimize weight, these blades are sometimes made into a composite and hollow structure having a large size. inherent elasticity. If they are rigidly mounted on the hub and thereby exposed to vertical wind speed gradients and gravitational forces during normal operation, these wind turbine blades tend to bend or to be subjected to "windshearing". cyclically, thus controlling the maintenance of turbine orientation in the wind direction. If, in order to catch up with the vertical gradients of wind speed, the blades are pivotally mounted on the hub and in pivotal relation to an "oscillation" axis oriented transverse to the axis of rotation. of the hub and the shaft, as well as the longitudinal axes of the blades, the rotation of the blades thus mounted suppresses the aforementioned elastic beating, but it nevertheless causes a horizontal precession of the hub and blades around the axis d 'oscillation. This precession is the result of the combined rotation and oscillation of the blades under the influence of the vertical gradients of wind speed and gravity, and it has the effect of causing the turbine to move angularly out of position. correct orientation with respect to the wind direction, following a pivoting movement about the yaw axis. Accordingly, an object of the present invention is to provide a wind turbine with improved elements to compensate for its yaw movement in order to adjust and maintain the orientation of this turbine. directly in the wind. Another object of the present invention is to provide a wind turbine of the aforementioned type, in which the compensation elements are of a passive nature. Still another object of the present invention is to provide a wind turbine of the aforementioned type, in which the compensation elements are economical, so that they do not play an important part in the cost of the wind turbine. turbine or energy produced therefrom. In accordance with the present invention, there is provided a wind turbine having passive members for compensating for yaw, i.e., maintaining its orientation generally in the wind direction. These yaw movement compensating elements comprise an element for mounting the blades on the hub by their heel, so that the movement
vement oscillant de ces pales dans et hors du vent sous l'influence de gradients verticaux de vitesse du vent 25 assure un réglage du pas des pales par rapport à la di- rection du vent. Ce réglage de pas réduit la portance exercée sur les pales soumises à ltinfluence de vents dont la vitesse et l'angle d'attaque sont élevés, tandis qu'il augmente la portance exercée sur les pales subis- 30 sant l'influence de vents dont la vitesse et l'angle d'attaque sont moins importants en raison du gradient précité. Cet équilibrage de la portance exercée sur les pales de la turbine minimise tout déséquilibre du mouvement de lacet ou-précession-horizontale du moyeu 35 résultant de ce mouvement oscillant en assurant ainsi le maintien de l'orientation correcte de la turbine avec 2484552 4 la direction du vent. Dans une forme de réalisation, ce réglage de pas est obtenu moyennant un montage pivotant de la pale sur le moyeu, de telle sorte que la pale pivote, sous 5 l'influence du gradient de vitesse, autour d'un axe oblique par rapport à l'axe longitudinal de la pale. Dans une autre forme de réalisation, le réglage de pas est obtenu par un montage des pales conçu de telle sorte que ces dernières puissent pivoter autour de leur axe 10 longitudinal, ces pales étant en outre articulées, par leur partie extérieure, au moyeu ou à une extrémité de l'arbre principal de la turbine, de telle sorte que le battement ou l'oscillation de la pale entraîne un pivo- tement désiré de cette dernière sur son axe longitudinal 15 afin d'obtenir le réglage de pas requis pour minimiser le déséquilibre du mouvement de lacet ou la précession horizontale du moyeu. Les caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront 20 plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation de face de la turbine éolienne suivant la présente invention; la figure 2 est une vue isométrique agrandie 25 et partiellement en coupe de l'intérieur du moyeu de la turbine, des parties de ce moyeu étant élaguées afin d'illustrer des détails de construction; la figure 3 est-une vue en élévation latérale de la turbine éolienne de la présente invention; 30 la figure 4 est une vue en plan par le dessus de la turbine éolienne de la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe de la pale su- périeure illustrée en figure 3, cette vue étant prise suivant la ligne 5-5 de cette dernière et illustrant 35 les forces de portance et de traînée agissant sur cette pale; 2484552 5 la figure 6 est une vue en coupe de la pale in- férieure illustrée en figure 3, cette vue étant prise suivant la ligne 6-6 de cette dernière et illustrant les forces de portance et de traînée agissant sur cette 5 pale; la figure 7 est une vue en plan par le dessus d'une turbine éolienne articulée de la technique anté- rieure, cette vue illustrant une déviation du vecteur de poussée net du vent par rapport à l'axe de rotation du 10 moyeu en réponse à un battement ou à un mouvement oscillant des pales; la figure 8 est une vue semblable à la figure 7, mais elle illustre le défaut d'alignement de l'axe de lacet de la turbine éolienne de la technique antérieure 15 par rapport à la direction du vent suite à la déviation ou au décalage angulaire du vecteur de poussée par rap- port à l'axe de lacet; la figure 9 est une représentation graphique de la relation existant entre l'accélération du mouve- 20 ment de lacet et l'angle de lacet pour deux grandes tur- bines éoliennes spécifiques construites conformément à la technique antérieure comme illustré dans les figures 7 et 8, une de ces turbines étant pourvue d'un accouple- ment oscillant entre les pales et le moyeu, tandis que 25 l'autre est pourvue d'un accouplement rigide, cette figu- re illustrant également, par un graphique, cette même relation pour une grande turbine éolienne construite con- formément à la présente invention; la figure 10 est une représentation graphique 30 des relations existant entre le rapport de puissance et l'angle de lacet, ainsi qu'entre le rapport de poussée et l'angle de lacet pour une grande turbine éolienne spé- cifique réalisée conformément à la présente invention; et * la figure 1l est une vue semblable à la figure 2, 35 mais illustrant une autre forme de réalisation de la présente invention. 2484552 6 En se référant aux figures 1-4, la turbine éolienne à mouvement de lacet stabilisé suivant la pré- sente invention comprend deux pales à surface portante 6 et 7 montées sur un moyeu 9 à partir duquel elles 5 s'étendent radialement vers l'avant et vers l'extérieur. Ce moyeu peut tourner autour d'un axe 12 et il est accou- plé à la charge associée à la turbine éolienne, en l'oc- currence, un alternateur ou un générateur électrique (non représenté), au moyen d'un arbre principal 15 (fi- 10 gure 2), les axes de rotation du moyeu et de cet arbre étant coïncidents. Lors d'une mise en service normale, la charge et n'importe quel train d'engrenages (non re- Oscillation of these blades in and out of the wind under the influence of vertical wind speed gradients assures a pitch adjustment of the blades with respect to the direction of the wind. This pitch adjustment reduces the lift exerted on the blades subjected to the influence of winds whose speed and angle of attack are high, whereas it increases the lift exerted on the blades subjected to the influence of winds of which the speed and the angle of attack are less important because of the aforementioned gradient. This balancing of the lift exerted on the blades of the turbine minimizes any imbalance of the yaw movement or precession-horizontal of the hub resulting from this oscillating movement thus ensuring the maintenance of the correct orientation of the turbine with the steering. the wind. In one embodiment, this pitch adjustment is achieved by pivotally mounting the blade to the hub, such that the blade pivots, under the influence of the velocity gradient, about an oblique axis with respect to the longitudinal axis of the blade. In another embodiment, the pitch control is obtained by mounting the blades designed so that the latter can pivot about their longitudinal axis, these blades being further articulated, by their outer part, to the hub or one end of the main shaft of the turbine, such that the beat or oscillation of the blade causes a desired pivoting thereof on its longitudinal axis 15 to obtain the pitch adjustment required to minimize the imbalance of yaw movement or horizontal precession of the hub. The foregoing and other features and advantages of the present invention will become more apparent upon reading the following description given with reference to the accompanying drawings in which Fig. 1 is a front elevational view of the turbine. wind turbine according to the present invention; FIG. 2 is an enlarged isometric view and partially in section of the interior of the turbine hub, with portions of this hub being pruned to illustrate constructional details; Figure 3 is a side elevational view of the wind turbine of the present invention; Figure 4 is a top plan view of the wind turbine of the present invention; FIG. 5 is a sectional view of the upper blade illustrated in FIG. 3, this view being taken along line 5-5 of the latter and illustrating the lift and drag forces acting on this blade; Fig. 6 is a sectional view of the lower blade shown in Fig. 3, taken in line 6-6 thereof and illustrating the lift and drag forces acting on this blade; FIG. 7 is a top plan view of an articulated wind turbine of the prior art, this view illustrating a deviation of the net thrust vector of the wind from the axis of rotation of the hub in response to a flapping or oscillating movement of the blades; FIG. 8 is a view similar to FIG. 7, but illustrates the misalignment of the yaw axis of the prior art wind turbine 15 with respect to the wind direction due to angular deflection or offset. the thrust vector with respect to the yaw axis; Figure 9 is a graphical representation of the relationship between yaw rate acceleration and yaw angle for two large specific wind turbines constructed in accordance with the prior art as illustrated in Figures 7 and 8. , one of these turbines being provided with a coupling oscillating between the blades and the hub, while the other is provided with a rigid coupling, this figure also illustrating, by a graph, this same relationship for a large wind turbine constructed in accordance with the present invention; FIG. 10 is a graphical representation of the relationship between the power ratio and the yaw angle, as well as between the thrust ratio and the yaw angle for a specific large wind turbine made in accordance with the present invention. invention; and Fig. 11 is a view similar to Fig. 2, but illustrating another embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1-4, the stabilized yaw wind turbine according to the present invention comprises two bearing-surface vanes 6 and 7 mounted on a hub 9 from which they extend radially towards the lug. 'forward and outward. This hub can rotate about an axis 12 and is coupled to the load associated with the wind turbine, in this case an alternator or an electric generator (not shown), by means of a main shaft 15 (FIG. 2), the axes of rotation of the hub and this shaft being coincident. During normal commissioning, the load and any gear train (not re-
présenté) requis pour élever la vitesse de rotation de l'arbre-15 par rapport à la charge, sont disposés dans 15 une nacelle 18, laquelle est située immédiatement contre le vent par rapport aux pales et au moyeu. Toutefois, on comprendra que la présente invention n'est pas limitée à cette disposition de la nacelle. La nacelle et l'assem- blage moyeu-pales peuvent pivoter autour d'un axe de la- 20 cet 21 qui peut coïncider avec l'axe d'un pylône ou d'une structure 24 supportant la turbine éolienne de ma- nière pivotante à l'intervention d'un palier à mouvement de lacet 27. Comme le montrent plus clairement les figu- res 1 et 4, l'axe de lacet 21 et l'axe de rotation 12 du 25 moyeu sont généralement disposés dans une relation copla- naire (d'intersection). En se référant à la figure 2, le moyeu comprend une partie en bout de l'arbre 15 qui vient se loger dans une partie creuse d'arbre tronqué ou de talon d'aube 30. 30 Les pales sont reliées au moyeu par une cheville ouvrière ou un pivot oblique 33 venant se loger dans des trous alignés pratiqués dans la partie de talon ou d'arbre tronqué et dans l'arbre 15. A mesure que les pales pivotent ou oscillent dans et hors du vent autour du pivot suite aux 35 gradients verticaux de vitesse du vent, la disposition oblique de ce pivot assure un réglage du pas des pales 2484552 7 par rapport à la direction du vent, équilibrant ainsi la portance exercée sur les pales de la turbine dans le but de réduire au minimum le déséquilibre du mouvement de la- cet. 5 Comme on le sait généralement, les vents présen- tent fréquemment des gradients de vitesse verticaux. En d'autres termes, à proximité de la surface de la terre, la vitesse du vent a spécifiquement une amplitude nette- ment inférieure à celle de la vitesse du vent mesurée en 10 des points distants de cette surface, c'est-à-dire à 60 ou 90 mètres de cette dernière. En conséquence, en sup- posant que les pales soient de pas égaux, lors de la ro- tation de ces dernières, à n'importe quel moment détermi- né, la pale occupant la position supérieure extrême est 15 exposée à des vents dont la vitesse et l'angle d'attaque sont supérieurs à ceux des vents auxquels est exposée la pale occupant la position inférieure extrême. En se ré- férant aux figures 5 et 6, en n'importe quel point axial de la pale supérieure 6 (défini par le rayon r mesuré depuis l'axe de rotation du moyeu), cette dernière est sou- mise à l'action de l'air dont la vitesse résultante est constituée de la somme vectorielle de la vitesse du vent au rayon r (Vw) et de la vitesse du vent (f2r) à laquelle est soumise la pale uniquement en raison de sa propre rotation. La résultante définit, avec la corde de la pale 6, un angle d'attaque a . De la même manière, la vitesse résultante du vent agissant sur la pale 7 (c'est-à-dire la pale occupant la position inférieure extrême) est la somme vectorielle de la vitesse du vent (V ') mesurée au 30 rayon r et de la vitesse (Or) à laquelle est soumise la pale 7 suite à sa propre rotation. En raison de l'ampli- tude de Vw', cette résultante définit, avec la corde de la pale 7, un angle d'attaque a2 sensiblement inférieur à l'angle a l. Etant donné que la portance associée à 35 chacune des pales 6 et 7 est proportionnelle à l'angle d'attaque, la portance exercée sur la pale occupant la 2484552 8 position supérieure extrême est, comme le montrent les dessins, sensiblement supérieure à celle exercée sur la pale inférieure. Lors de la rotation des pales, chacune d'elles occupe périodiquement des positions supérieure et 5 inférieure si bien que, lorsque ces pales sont montées rigidement sur le rotor, la variation survenant dans la portance agissant sur chaque pale à mesure qu'elle occu- pe périodiquement des positions supérieure et inférieure, provoque une flexion ou un "battement" périodique de 10 cette pale. Ce battement est non seulement virtuellement préjudiciable pour la pale, mais il provoque également un mouvement de lacet de la turbine, laquelle est ainsi dé- viée de son orientation correcte, en partie suite à des moments de lacet perturbateurs résultant. directement de 15 la flexion de la pale et en partie suite à un décalage an- gulaire dans la résultante vectorielle de la poussée agis- sant sur les pales. Dans la technique antérieure, la flexion ou le battement périodique est parfois supprimé en prévoyant, 20 entre le moyeu et les pales, un accouplement grâce auquel ces dernières pivotent autour d'un axe généralement trans- versal par rapport à l'axe de rotation du moyeu ou de l'arbre, ainsi qu'aux axes longitudinaux des pales, sans aucun changement de pas cyclique concomitant. Avec cette 25 construction "articulée" ou "oscillante" de la technique antérieure, le battement périodique précité des pales est remplacé par un pivotement cyclique de ces dernières sur le moyeu, autour de l'axe de pivotement (axe d'oscilla- tion). En conséquence, à mesure que les pales tournent 30 sous l'influence du vent dominant, elles se déplacent de shown) required to raise the rotational speed of the shaft-15 relative to the load, are arranged in a nacelle 18, which is situated immediately against the wind with respect to the blades and the hub. However, it will be understood that the present invention is not limited to this arrangement of the nacelle. The nacelle and the hub-blade assembly are pivotable about a centerline 21 which may coincide with the axis of a tower or structure 24 supporting the wind turbine in a pivotal manner. By the intervention of a yaw-movement bearing 27. As shown more clearly in FIGS. 1 and 4, the yaw axis 21 and the axis of rotation 12 of the hub are generally arranged in a coplan relationship. - (intersection). Referring to Figure 2, the hub comprises an end portion of the shaft 15 which is housed in a hollow portion of truncated shaft or blade root 30. The blades are connected to the hub by an ankle or as an oblique pivot 33 which is received in aligned holes in the heel or truncated portion of the shaft and in the shaft 15. As the blades pivot or oscillate in and out of the wind around the pivot as a result of vertical gradients of wind speed, the oblique arrangement of this pivot ensures a pitch adjustment of the blades with respect to the direction of the wind, thus balancing the lift exerted on the blades of the turbine in order to minimize the imbalance of the movement of this. As is generally known, winds frequently exhibit vertical velocity gradients. In other words, near the surface of the earth, the wind speed specifically has a magnitude significantly lower than that of the wind speed measured at points distant from this surface, i.e. say 60 or 90 meters from it. Consequently, assuming that the blades are of equal pitch, during the rotation of the latter, at any given moment, the blade occupying the extreme upper position is exposed to winds whose speed and angle of attack are greater than those of the winds to which the blade in the extreme lower position is exposed. Referring to FIGS. 5 and 6, at any axial point of the upper blade 6 (defined by the radius r measured from the axis of rotation of the hub), the latter is subjected to action air whose resulting speed consists of the vector sum of the wind speed at the radius r (Vw) and the wind speed (f2r) to which the blade is subjected solely because of its own rotation. The resultant defines, with the rope of the blade 6, an angle of attack a. In the same way, the resulting wind speed acting on the blade 7 (ie the blade occupying the extreme lower position) is the vectorial sum of the wind speed (V ') measured at radius r and the speed (gold) to which the blade 7 is subjected following its own rotation. Because of the amplitude of Vw ', this resultant defines, with the rope of the blade 7, a driving angle a2 substantially smaller than the angle a 1. Since the lift associated with each of the blades 6 and 7 is proportional to the angle of attack, the lift exerted on the blade occupying the extreme upper position is, as the drawings show, substantially greater than that exerted. on the lower blade. During the rotation of the blades, each of them periodically occupies upper and lower positions so that when these blades are rigidly mounted on the rotor, the variation occurring in the lift acting on each blade as it occupies Periodically, upper and lower positions cause periodic bending or "flapping" of this blade. This beat is not only virtually detrimental to the blade, but it also causes yaw movement of the turbine, which is thus deviated from its correct orientation, in part as a result of resulting disturbing yaw moments. directly from the bending of the blade and partly due to an angular shift in the vector resultant of the thrust acting on the blades. In the prior art, bending or periodic beating is sometimes omitted by providing a coupling between the hub and the blades by which the latter pivot about an axis generally transverse to the axis of rotation of the hub. hub or shaft, as well as the longitudinal axes of the blades, without any concomitant cyclic step change. With this "articulated" or "oscillating" construction of the prior art, the aforementioned periodic beat of the blades is replaced by a cyclical pivoting of the latter on the hub, about the pivot axis (oscillation axis). . As a result, as the blades turn under the influence of the prevailing wind, they move from
manière cyclique dans (avec) et en dehors (contre) le vent par un mouvement oscillant cyclique sur le pivot 33. Ce mouvement oscillant autour du pivot lors de la rotation des pales entraîne, par précession, un pivo- 3S tement du moyeu et des pales autour de l'axe d'oscilla- tion, ce pivotement ayant une amplitude maximum lorsque l'axe d'oscillation est orienté verticalement. Bien que 2484552 9 l'amplitude de ce mouvement oscillant de précession dépende de la vitesse du vent, du gradient de ce der- nijer, de la configuration des pales, ainsi que d'au- tres aspects de la conception de la turbine et des con- 5 ditions de fonctionnement de cette dernière, un tel mou- vement a pour effet de déplacer angulairement le moyeu et les pales de un ou deux degrés par rapport à la di- rection-du vent. En se référant à la figure 7, le dé- placement angulaire du moyeu et des pales en dehors de 10 l'alignement avec la direction du vent entraîne une dé- viation ou un déplacement angulaire semblable de la ré- sultante vectorielle de la poussée nette agissant sur les pales, ce vecteur de poussée étant défini comme étant perpendiculaire à une ligne intersectant les tê- 15 tes des pales. La déviation du vecteur de poussée don- ne lieu à un déplacement angulaire de ce vecteur en dehors de l'orientation colinéaire avec l'axe de lacet. En conséquence, le vecteur de poussée ainsi décalé ap- plique, à la turbine, un moment de lacet qui donne lieu 20 à un déplacement exagéré de l'axe de lacet par rapport à la direction désirée du vent comme le montre la figu- re 8. En se référant à la figure 9, on représente les effets exercés par le décalage du vecteur de poussée 25 conjointement avec le déplacement résultant de l'axe de lacet du moyeu pour de grands rotors de turbines éoliennes spéci- fiques articulés (pales à accouplement oscillant) et non articulés (pales à accouplement rigide) à une vites- se de vent de 25 mètres par seconde. Comme le montrent 30 les courbes de cette figure, ces rotors de turbines éoliennes articulés et non articulés suivant la techni- que antérieure, qui sont aptes à pivoter librement autour d'un axe de lacet, effectueront d-'eux-mêmes un important mouvement de lacet au départ de l'orientation désirée de 35 0 (angle d'entrée). C'est ainsi que, au départ d'un an- 2484552 10 gle d'entrée de 00, le rotor articulé effectuera un mouvement de lacet qui fera dévier son orientation d'environ 150, tandis que, s'il est réglé à 0 , le ro- tor non articulé pourrait effectuer un mouvement de la- 5 cet de -33 , -22 , soit une déviation d'environ 550 par rapport à son orientation désirée, avant d'atteindre des orientations d'équilibre (accélération du mouvement de lacet de zéro). Les mouvements de lacet des deux ty- *pes de turbines sont stabilisés à ces orientations d'axe 10 de lacet décalées en raison d'un équilibrage du moment de poussée résultant des forces aérodynamiques exercées sur les pales. Comme le montre la figure 10, le rapport de poussée et le rapport de puissance sont tous deux optima- 15 lisés en maintenant l'orientation de la turbine pratique- ment directement dans le vent. Le rapport de puissance est une mesure de la puissance de sortie de la turbine divisée par la puissance disponible du courant de vent intercepté par cette turbine, tandis que le rapport de 20 poussée est une mesure de la poussée exercée sur les pa- les de la turbine, divisée par la poussée nette disponi- ble engendrée par la colonne de vent interceptée par les pales de la turbine. En conséquence, comme le montre la figure 10, tout décalage important par rapport à 25 l'orientation désirée sous un angle de lacet de 00 alté- rera sérieusement la capacité de production d'énergie de la turbine. Afin de remédier aux déficiences que présente la stabilisation du mouvement de lacet associée aux turbi- 30 nes éoliennes de la technique antérieure, suivant la présente invention, les pales sont articulées à leur ta- lon de telle manière que leur mouvement pivotant ou oscillant autour du pivot 33 sous l'influence d'un gra- dient vertical de vitesse du vent donne lieu à un régla- 35 ge cyclique du pas des pales par rapport à la direction du vent. De la sorte, lorsque les pales sont orientées 2484552 il verticalement comme illustré en figure 3, la pale supérieure 6 pivote ou oscille avec le vent autour du pi- vot 33, orientant ainsi le bord d'attaque de cette pale dans la direction du vent afin de réduire la portance 5 exercée sur cette dernière. De la même manière, la pa- le inférieure 7 effectuera un mouvement oscillant dans (contre) le vent, ce qui aura pour effet d'orienter son bord d'attaque légèrement en dehors de la direction du vent en élevant ainsi la portance exercée sur cette pa- 10 le inférieure jusqu'à une valeur correspondant générale- ment à celle de la portance exercée sur la pale supé- rieure. Dès lors, la portance exercée sur les deux pa- les est essentiellement équilibrée, réduisant ainsi au minimum la précession horizontale du rotor en dehors de cyclically in (with) and out (against) the wind by a cyclic oscillatory movement on the pivot 33. This movement oscillating about the pivot during the rotation of the blades causes, by precession, a pivoting of the hub and the blades around the oscillation axis, this pivoting having a maximum amplitude when the oscillation axis is oriented vertically. Although the amplitude of this precession oscillating motion depends on the wind speed, the gradient of the latter, the configuration of the blades, as well as other aspects of the turbine design and Because of the operating conditions of the latter, such a movement has the effect of angularly displacing the hub and the blades by one or two degrees with respect to the direction of the wind. Referring to FIG. 7, the angular displacement of the hub and blades out of alignment with the wind direction results in a similar deviation or angular displacement of the vector result of the net thrust. acting on the blades, this thrust vector being defined as being perpendicular to a line intersecting the heads of the blades. The deflection of the thrust vector results in an angular displacement of this vector outside the collinear orientation with the yaw axis. Accordingly, the thrust vector thus shifted applies to the turbine a moment of yaw which gives rise to an exaggerated displacement of the yaw axis with respect to the desired direction of the wind as shown in FIG. 8. Referring to FIG. 9, the effects exerted by shifting of the thrust vector 25 together with the resulting displacement of the yaw axis of the hub for large articulated specific wind turbine rotors (airfoils) are shown. swing coupling) and non-articulated (rigid coupling blades) at a wind speed of 25 meters per second. As shown in the curves of this figure, these rotors of articulated and non-articulated wind turbines according to the prior art, which are able to pivot freely about a yaw axis, will themselves perform a large movement. yaw from the desired orientation of 35 (entry angle). Thus, at the beginning of a year of 00 entry, the articulated rotor will make a yaw movement which will deflect its orientation by about 150, while, if it is set to 0 the non-articulated rotator could make a movement of -33, -22, a deviation of about 550 from its desired orientation, before reaching equilibrium orientations (acceleration of motion). zero lace). The yaw motions of both turbine types are stabilized at these shifted yaw axis orientations due to balancing of the thrust moment resulting from the aerodynamic forces exerted on the blades. As shown in FIG. 10, both the thrust ratio and the power ratio are optimized by maintaining the orientation of the turbine almost directly in the wind. The power ratio is a measure of the output power of the turbine divided by the available power of the wind current intercepted by that turbine, while the thrust ratio is a measure of the thrust exerted on the blades of the turbine. turbine, divided by the available net thrust generated by the wind column intercepted by the turbine blades. Accordingly, as shown in FIG. 10, any significant offset from the desired orientation at a yaw angle of 00 will seriously alter the power generation capability of the turbine. In order to overcome the deficiencies in the stabilization of yaw movement associated with prior art wind turbines, according to the present invention, the blades are hinged at their tails in such a manner that their pivotal or oscillatory movement about pivot 33 under the influence of a vertical gradient of wind speed gives rise to a cyclic adjustment of the pitch of the blades relative to the direction of the wind. In this way, when the blades are oriented 2484552 vertically as illustrated in FIG. 3, the upper blade 6 pivots or oscillates with the wind around the pylon 33, thus orienting the leading edge of this blade in the wind direction. to reduce the lift 5 exerted on the latter. In the same way, the lower plane 7 will oscillate in (against) the wind, which will have the effect of orienting its leading edge slightly out of the wind direction, thus raising the lift exerted on the wind. this lower parcel to a value corresponding generally to that of the lift exerted on the upper blade. Consequently, the lift exerted on both sides is essentially balanced, thus minimizing the horizontal precession of the rotor outside the rotor.
15 son alignement avec la direction du vent. Le degré de réglage de pas assuré par un mouve- ment oscillant d'une amplitude particulière dépendra évidemment de l'angle sous lequel le pivot 33 est orien- té par rapport aux axes longitudinaux des pales. La va- 20 leur de cet angle dépend des conditions régnant sur le lieu d'implantation de la turbine en ce qui concerne les vents dominants, ainsi que de la géométrie de la turbine elle-même. Toutefois, des décalages angulaires de 40 à 700 entre le pivot 33 et les axes des pales se sont avé- 25 rés satisfaisants pour une utilisation avec de grandes turbines, c'est-à-dire des turbines dont les pales ont une envergure de l'ordre de 60 mètres ou plus. En se référant à nouveau à-la figure 9, le rende- ment d'une turbine à mouvement de lacet stabilisé sui- 30 vant la présente invention y est illustré par la courbe supérieure extrême représentant l'accélération du mouve- ment de lacet vis-à-vis de l'angle d'entrée (angle de la- cet). Comme le montre cette courbe, l'accélération du mouvement de lacet est nulle à un angle d'entrée de zéro 35 (orientation de la turbine pratiquement directement dans le vent). Dès lors, lorsqu'elle est réglée dans cette 2484552 12 orientation par un moyen mécanique ou un effet de gi- rouette, la turbine éolienne de la présente invention conserve cette orientation pour une puissance de sortie optimum. 15 its alignment with the wind direction. The degree of pitch control provided by an oscillating movement of a particular magnitude will obviously depend on the angle at which the pivot 33 is oriented relative to the longitudinal axes of the blades. The magnitude of this angle depends on the conditions prevailing at the location of the turbine with respect to prevailing winds, as well as the geometry of the turbine itself. However, angular offsets of 40-700 between pivot 33 and blade axes have been found satisfactory for use with large turbines, i.e., turbines with blades having a span of 1 mm. order of 60 meters or more. Referring again to FIG. 9, the yield of a stabilized yaw movement turbine according to the present invention is illustrated by the extreme upper curve representing the acceleration of yaw movement to the angle of entry (angle of this). As this curve shows, the acceleration of yaw movement is zero at an entry angle of zero (orientation of the turbine almost directly into the wind). Therefore, when set in this orientation by mechanical means or rocket effect, the wind turbine of the present invention maintains this orientation for optimum output power.
5 On se référera à présent à la figure 11 qui illustre une autre forme de réalisation de la présente invention. Dans cette forme de réalisation, les pales 6 et 7 sont supportées sur un arbre tronqué 36 de telle sorte qu'elles puissent pivoter autour de leurs axes 10 longitudinaux. En conséquence, les pales sont montées sur des paliers appropriés (non représentés) disposés entre elles et l'arbre tronqué. Les pales pivotent également dans et en dehors de la direction du vent autour diun axe 39 généralement transversal par rapport 15 aux axes des pales et de l'arbre. Comme le montre cet- te figure, l'axe 39 est défini par un pivot 42 passant à travers l'arbre tronqué 36 et l'arbre principal 15. Chaque pale est articulée à l'arbre 15 par sa partie extérieure à l'intervention d'une tige 45 dont une ex- 20 trémité est articulée à la pale par une chape ou un au- tre élément de montage 48 et dont l'autre extrémité est articulée à l'arbre principal par un élément de montage 51. Si une turbine éolienne dont le moyeu a la configu- ration illustrée en figure 11, est soumise à des gra- 25 dients verticaux de vitesse du vent, les pales effec- tueront initialement un mouvement oscillant autour de l'axe 39 de la manière décrite ci-dessus. Toutefois, en raison de l'accouplement que constitue la tige d'articu- lation 45 entre l'arbre 15 et les pales, ce mouvement 30 oscillant amène les pales à pivoter autour de leur pro- pre axe longitudinal, assurant ainsi un réglage du pas de ces pales dans le but d'équilibrer la portance exer- cée en travers de l'envergure de ces dernières de la ma- nière décrite ci-dessus.Referring now to Figure 11 which illustrates another embodiment of the present invention. In this embodiment, the blades 6 and 7 are supported on a truncated shaft 36 so that they can pivot about their longitudinal axes. As a result, the blades are mounted on appropriate bearings (not shown) arranged between them and the truncated tree. The blades also pivot in and out of the wind direction about an axis 39 generally transverse to the axes of the blades and the shaft. As shown in this figure, the axis 39 is defined by a pivot 42 passing through the truncated shaft 36 and the main shaft 15. Each blade is articulated to the shaft 15 by its outer portion to the intervention a rod 45, an end of which is articulated to the blade by a yoke or other mounting element 48 and whose other end is articulated to the main shaft by a mounting element 51. The wind turbine, whose hub has the configuration illustrated in FIG. 11, is subjected to vertical gradients of wind velocity, the blades will initially perform an oscillating movement about the axis 39 in the manner described hereinabove. above. However, due to the coupling formed by the articulating rod 45 between the shaft 15 and the blades, this oscillating movement causes the blades to pivot about their own longitudinal axis, thereby none of these blades in order to balance the lift exerted across the wingspan of the latter as described above.
35 Bien que la turbine éolienne de la présente in- vention ait été décrite en se référant à des turbines à 2484552 13 deux pales, on comprendra que la présente invention peut être adoptée avec des turbines comportant n'importe quel nombre de pales articulées. Lorsqu'on uti- lise plus de deux pales, celles-ci sont assemblées au 5 moyeu par un système de paliers de suspension à la car- dan plutôt que par une seule articulation. En consé-. quence, bien que l'invention ait été illustrée et dé- crite en se référant à des formes de réalisation dé- taillées, on comprendra que diverses modifications et 10 omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son cadre. 2484552 - 14 -Although the wind turbine of the present invention has been described with reference to two-bladed turbines, it will be understood that the present invention can be adopted with turbines having any number of articulated blades. When more than two blades are used, they are assembled to the hub by a system of carbon bearing bearings rather than a single joint. As a result. Although the invention has been illustrated and described with reference to detailed embodiments, it will be appreciated that various modifications and omissions may be contemplated in both form and detail without departing from the scope of the invention. his mind and his frame. 2484552 - 14 -