Dispositif de conversion d'énergie éolienne à axe vertical La présente invention concerne une turbine à axe de rotation vertical, et 5 s'applique notamment à la conversion d'énergie éolienne en énergie électrique, en particulier en milieu urbain. A ce jour, la grande majorité des systèmes de conversion d'énergie éolienne consiste en une hélice tripale d'axe horizontal et placée au sommet d'un mât de hauteur compatible avec le diamètre du rotor de l'hélice. Ces systèmes to sont souvent concentrés sur un site favorable et sont de grande puissance électrique, mais partagent, avec les grandes centrales nucléaires ou hydrauliques, l'inconvénient d'être éloignées des unités d'utilisation, ce qui conduit à des pertes, notamment par effet Joule, de l'ordre de 10 à 20 % minimum lors du transport de cette énergie. 15 De plus, ces systèmes sont très dépendants de la direction et de l'intensité du vent et, de ce fait, leur puissance doit être limitée, voire réduite à zéro pour de grandes vitesses de vent. II existe aussi d'autres systèmes à axe vertical, en particulier celui décrit dans le document FR 2 752 599. Ce dispositif est composé d'un stator extérieur 20 muni d'aubes fixes ayant un rôle de déflexion de l'écoulement du vent vers les aubes mobiles d'un rotor central. Cette disposition utilisant un stator réduit, par frottements, l'intensité du vent incident au niveau des aubes du rotor central. Cela a pour effet de diminuer l'efficacité du dispositif et donc son rendement. Il semble donc nécessaire de créer un dispositif plus efficace qui récupère 25 la plus grande intensité possible du vent avec le meilleur rendement possible. A cet effet, la présente invention propose une turbine dotée d'un rotor à aubes dont la direction d'extrusion est orientée suivant l'axe du rotor de la turbine, et caractérisée par le fait que les aubes sont organisées par couples comprenant une aube aval et une aube amont décalée de l'aube aval d'un angle 30 de sens opposé au sens de rotation de la turbine. Les couples d'aubes sont uniformément répartis autour de l'arbre de la turbine, créant ainsi une répartition axisymétrique des aubes. -2- Cette disposition axisymétrique des couples d'aubes est très avantageuse car elle permet à la turbine de fonctionner avec la même intensité quelle que soit la direction et l'intensité du vent. Dans le cas de turbines éoliennes, l'invention est particulièrement utile en 5 milieu urbain, où l'écoulement du vent présente des turbulences et des changements fréquents de direction. Avantageusement, l'aube amont et l'aube aval sont positionnées de sorte que le bord d'attaque de l'aube amont soit en regard du bord de fuite de l'aube aval, afin de dévier le vent incident sur les faces intrados des aubes 10 (surpressions), et de l'accélérer sur les faces extrados des aubes (dépressions). On entend par intrados les faces aval des aubes et par extrados les faces amont des aubes. Les faces intrados doivent être le siège des pressions les plus élevées, et les faces extrados doivent être le siège des pressions les plus faibles, afin de générer un effet moteur maximal. 15 La présente invention est très efficace tout particulièrement grâce au positionnement des aubes en couples qui permet non seulement de guider le vent incident sur les faces intrados des couples d'aubes en amont de l'écoulement du vent incident, mais aussi de diriger ce flux vers les faces intrados des couples d'aubes en aval de l'écoulement. Les aubes aval récupèrent 20 principalement l'énergie dans la zone amont de l'écoulement, alors que les aubes amont récupèrent principalement l'énergie dans la zone aval de l'écoulement. L'ensemble des aubes (amont et aval) est également positionné de manière à générer un effet de portance (dépression) par accélération du flux sur les faces extrados des aubes amont dans la zone amont, et sur les faces 25 extrados des aubes aval dans la zone aval. L'effet moteur est donc augmenté et le rendement de la turbine est plus élevé que pour les dispositifs de l'art antérieur. La turbine de l'invention est avantageusement couplée à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. 30 L'efficacité et la taille de cette turbine sont tout particulièrement adaptées pour le milieu urbain. Ainsi, l'énergie produite est au plus près de son lieu de consommation, ce qui limite les pertes importantes lors du transport de l'énergie. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode préféré de réalisation. -3- Il convient tout d'abord de rappeler que l'objet de l'invention est une turbine dotée d'un rotor à aubes dont la direction d'extrusion est orientée suivant l'axe du rotor de la turbine caractérisée par le fait que les aubes sont organisées par couples comprenant une aube aval et une aube amont décalée de l'aube aval d'un angle de sens opposé au sens de rotation de la turbine. Suivant des variantes possibles mais non limitatives de l'invention la turbine est telle que : - l'aube amont et l'aube aval sont positionnées de sorte que le bord d'attaque de l'aube amont soit en regard du bord de fuite de l'aube aval. - les deux plans passant d'une part par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube amont, et d'autre part par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube aval, encadrent l'axe de rotation. - les couples d'aubes sont placés à la périphérie de la turbine entre un cercle extérieur et un cercle intérieur, délimités respectivement par les bords d'attaque et les bords de fuite des aubes aval. - les aubes aval et les aubes amont peuvent être identiques ou non, et présentent un profil asymétrique. - le rapport entre le diamètre du cercle extérieur et le diamètre du cercle intérieur est inférieur ou égal à 3. - le rapport entre le diamètre du cercle extérieur et la hauteur de la turbine est compris entre 0,1 et 10. - elle est insérée dans une structure support au moyen d'un palier auto aligneur au sommet de l'arbre et, pour une meilleure facilitation de la maintenance, d'une cage extractible de roulement conique à la base de l'arbre. - elle comprend un dispositif d'amortissement et d'absorption des vibrations mécaniques. - elle est reliée à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique pouvant comporter un multiplicateur de vitesse de rotation, et intégrant un dispositif de régulation de la puissance et une génératrice. The present invention relates to a turbine with vertical axis of rotation, and 5 is particularly applicable to the conversion of wind energy into electrical energy, particularly in urban areas. To date, the vast majority of wind energy conversion systems consist of a three-blade propeller of horizontal axis and placed at the top of a mast of height compatible with the diameter of the rotor of the propeller. These systems are often concentrated on a favorable site and are of great electrical power, but share, with the large nuclear or hydraulic power plants, the disadvantage of being remote from the units of use, which leads to losses, in particular by Joule effect, of the order of 10 to 20% minimum when transporting this energy. In addition, these systems are very dependent on the direction and intensity of the wind and, therefore, their power must be limited or reduced to zero for high wind speeds. There are also other systems with a vertical axis, in particular that described in document FR 2 752 599. This device is composed of an outer stator 20 provided with vanes having a role of deflecting the flow of wind towards the blades of a central rotor. This arrangement using a stator reduces, by friction, the intensity of the incident wind at the blades of the central rotor. This has the effect of reducing the effectiveness of the device and therefore its performance. It therefore seems necessary to create a more efficient device that recovers the greatest possible wind intensity with the best possible performance. For this purpose, the present invention proposes a turbine provided with a blade rotor whose extrusion direction is oriented along the axis of the rotor of the turbine, and characterized in that the blades are arranged in pairs comprising a blade downstream and an upstream blade offset from the blade downstream of an angle 30 opposite to the direction of rotation of the turbine. The blade pairs are uniformly distributed around the shaft of the turbine, thus creating an axisymmetric distribution of the blades. -2- This axisymmetric arrangement of blade pairs is very advantageous because it allows the turbine to operate with the same intensity regardless of the direction and intensity of the wind. In the case of wind turbines, the invention is particularly useful in urban areas, where the wind flow has turbulences and frequent changes of direction. Advantageously, the upstream blade and the downstream blade are positioned so that the leading edge of the upstream blade is opposite the trailing edge of the downstream blade, in order to deflect the incident wind on the intrados faces of the blades. blades 10 (overpressure), and accelerate it on the upper surfaces of the blades (depressions). The term "downstream" is understood to mean the downstream faces of the blades and extrados the upstream faces of the blades. The lower surfaces must be the seat of the highest pressures, and the extrados faces must be the seat of the lowest pressures, in order to generate a maximum motor effect. The present invention is very particularly effective thanks to the positioning of the blades in pairs which not only allows to guide the incident wind on the intrados faces of the pairs of blades upstream of the flow of the incident wind, but also to direct this flow. towards the lower surfaces of the pairs of blades downstream of the flow. The downstream vanes mainly recover the energy in the upstream zone of the flow, whereas the upstream vanes mainly recover the energy in the downstream zone of the flow. The set of vanes (upstream and downstream) is also positioned so as to generate a lift effect (depression) by acceleration of the flow on the extrados faces of the upstream vanes in the upstream zone, and on the extrados faces of the vanes downstream in the downstream zone. The motor effect is therefore increased and the efficiency of the turbine is higher than for the devices of the prior art. The turbine of the invention is advantageously coupled to a device for converting mechanical energy into electrical energy. The efficiency and the size of this turbine are particularly suitable for the urban environment. Thus, the energy produced is closer to its place of consumption, which limits the significant losses during the transport of energy. Other objects and advantages will become apparent from the following description of a preferred embodiment. First of all, it should be remembered that the object of the invention is a turbine equipped with a rotor with vanes whose extrusion direction is oriented along the axis of the rotor of the turbine characterized by the fact that that the blades are arranged in pairs comprising a downstream blade and an upstream blade offset from the blade downstream of an angle opposite to the direction of rotation of the turbine. According to possible but non-limiting variants of the invention the turbine is such that: the upstream blade and the downstream blade are positioned so that the leading edge of the upstream blade is opposite the trailing edge of the dawn downstream. - the two planes passing on the one hand by the leading edge and the trailing edge of an upstream blade, and on the other hand by the leading edge and the trailing edge of a downstream blade, frame the 'rotation axis. - The pairs of blades are placed at the periphery of the turbine between an outer circle and an inner circle, delimited respectively by the leading edges and the trailing edges of the blades downstream. the downstream blades and the upstream blades may be identical or different, and have an asymmetrical profile. - the ratio between the diameter of the outer circle and the diameter of the inner circle is less than or equal to 3. - the ratio between the diameter of the outer circle and the height of the turbine is between 0.1 and 10. - it is inserted in a support structure by means of a self-aligning bearing at the top of the shaft and, for a better facilitation of maintenance, an extractable cage of tapered bearing at the base of the shaft. it comprises a device for damping and absorbing mechanical vibrations. - It is connected to a device for converting mechanical energy into electrical energy may include a rotation speed multiplier, and incorporating a power control device and a generator.
Les dessins ci-joints 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 : Figure 1 : vue de profil de la turbine selon l'invention. Figure 2 : vue de dessus selon la coupe a-b de la figure 1. -4- - Figure 3 : agrandissement d'une zone de l'invention selon la figure 2. A titre d'exemple, on considérera une turbine 1 de type éolien et donc que le fluide est de l'air. La turbine 1 de forme globale cylindrique est relativement plate. 5 Avantageusement, le facteur de forme égal au rapport entre le diamètre du cercle extérieur 3 et la hauteur 2, est compris entre 0,1 et 10. La turbine 1 comporte un axe de rotation vertical 5. La turbine 1 comprend un nombre de couples d'aubes 4 par exemple compris entre 2 et 32, uniformément répartis autour de l'axe de rotation 5 de la 10 turbine 1. Les couples d'aubes 4 comprennent une aube amont 7 et une aube aval 8, en considérant le sens de rotation de la turbine indiqué par les flèches des figures 2 et 3. Les deux aubes 7 et 8 sont de sections profilées bidimensionnelles 15 positionnées à la périphérie de la turbine entre un cercle extérieur et un cercle intérieur délimités respectivement par les bords d'attaque 12 et les bords de fuite 13 des aubes aval 8. Ainsi, le centre de la turbine 1 est creux, permettant le passage du flux au travers. 20 L'aube amont 7 et l'aube aval 8 sont placées de sorte que le bord d'attaque 12 de l'aube amont 7 soit en regard du bord de fuite 13 de l'aube aval 8. Les plans 14 et 15 passant respectivement par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une aube amont, et par le bord d'attaque et le bord de fuite d'une 25 aube aval, encadrent l'axe de rotation 5. Avantageusement, l'angle entre le plan 14 de l'aube amont et le plan 15 de l'aube aval est compris entre 10° et 70°. II est aussi possible que l'aube aval 8 soit décalée par rapport au rayon de la turbine d'un angle de sens identique au sens de rotation de la turbine. 30 Selon cette disposition préférée, l'aube amont 7 présente un bord d'attaque 12 tourné vers l'intérieur de la turbine 1, et donc sa face extrados 10 tournée vers l'extérieur de la turbine 1. Inversement, l'aube aval 8 présente un bord d'attaque 12 tourné vers l'extérieur de la turbine 1 et sa face extrados 10 est tournée vers l'intérieur de la turbine. -5- Le principe de fonctionnement de la présente invention repose sur deux objectifs : engendrer sur l'ensemble des aubes (amont 7 et aval 8) d'une part des zones de surpression sur les faces intrados 9, et, d'autre part, des zones de dépression sur les faces extrados 10, et ce de manière à obtenir un effet moteur maximal. L'écoulement incident dans la zone amont Am du rotor engendre simultanément une pression importante au niveau des faces intrados 9 des aubes aval 8, et une pression faible au niveau des faces extrados 10 des aubes amont 7. Après avoir traversé le centre de la turbine, le flux pénètre la zone aval Av du rotor, où il engendre simultanément une pression importante au niveau des faces intrados 9 des aubes amont 7, et une pression faible au niveau des faces extrados 10 des aubes aval 8. La dépression au niveau des faces extrados 10 des aubes aval 8 dans la zone aval Av de l'écoulement est amplifiée par les bords de fuite 13 des aubes amont 7, qui guident le flux vers les extrados 10 des aubes aval 8. L'ensemble des surpressions et dépressions appliqué sur les aubes engendre un moment sur l'arbre particulièrement élevé, ce qui conduit à des performances optimales. Les aubes aval 8 et les aubes amont 7 sont de forme profilée asymétrique et peuvent être ou non identiques les unes aux autres, ce qui est le cas dans les schémas de principe proposés dans la présente demande. The accompanying drawings are given by way of example and are not limiting of the invention. They represent only one embodiment of the invention and will make it easy to understand: Figure 1: side view of the turbine according to the invention. Figure 2: top view according to section ab of Figure 1. -4- - Figure 3: enlargement of an area of the invention according to Figure 2. For example, consider a turbine 1 wind turbine and therefore the fluid is air. The turbine 1 of cylindrical overall shape is relatively flat. Advantageously, the form factor equal to the ratio between the diameter of the outer circle 3 and the height 2 is between 0.1 and 10. The turbine 1 comprises a vertical axis of rotation 5. The turbine 1 comprises a number of pairs of vanes 4, for example between 2 and 32, uniformly distributed around the axis of rotation 5 of the turbine 1. The pairs of vanes 4 comprise an upstream vane 7 and a downstream vane 8, considering the direction of rotation. rotation of the turbine indicated by the arrows of FIGS. 2 and 3. The two blades 7 and 8 are of two-dimensional profiled sections positioned at the periphery of the turbine between an outer circle and an inner circle delimited respectively by the leading edges 12 and the trailing edges 13 of the downstream blades 8. Thus, the center of the turbine 1 is hollow, allowing the passage of the flow through. The upstream vane 7 and the downstream vane 8 are placed so that the leading edge 12 of the upstream vane 7 is opposite the trailing edge 13 of the downstream vane 8. The passing planes 14 and 15 respectively by the leading edge and the trailing edge of an upstream blade, and by the leading edge and the trailing edge of a downstream blade, frame the axis of rotation 5. Advantageously, the angle between the plane 14 of the upstream blade and the plane 15 of the downstream blade is between 10 ° and 70 °. It is also possible that the downstream vane 8 is offset with respect to the radius of the turbine by an angle of direction identical to the direction of rotation of the turbine. According to this preferred arrangement, the upstream blade 7 has a leading edge 12 turned towards the inside of the turbine 1, and therefore its extrados face turned towards the outside of the turbine 1. Conversely, the downstream blade 8 has a leading edge 12 facing outwardly of the turbine 1 and its extrados face 10 is turned towards the inside of the turbine. The operating principle of the present invention is based on two objectives: generating on all the vanes (upstream 7 and downstream 8) on the one hand the overpressure zones on the intrados faces 9, and on the other hand , areas of depression on the upper surfaces 10, and so as to obtain a maximum motor effect. The incident flow in the upstream zone Am of the rotor simultaneously generates a significant pressure at the intrados faces 9 of the downstream vanes 8, and a low pressure at the extrados faces 10 of the upstream vanes 7. After passing through the center of the turbine , the flow enters the downstream zone Av of the rotor, where it simultaneously generates a large pressure at the intrados faces 9 of the upstream vanes 7, and a low pressure at the upper surfaces 10 of the downstream vanes 8. The depression at the faces extrados 10 of the downstream blades 8 in the downstream zone Av of the flow is amplified by the trailing edges 13 of the upstream vanes 7, which guide the flow towards the extrados 10 of the downstream blades 8. The set of overpressures and depressions applied to the blades generate a particularly high moment on the shaft, which leads to optimal performance. The downstream vanes 8 and the upstream vanes 7 are of asymmetrical profiled shape and may or may not be identical to each other, which is the case in the schematic diagrams proposed in the present application.
Avantageusement, le rapport entre le diamètre du cercle extérieur 3 et le diamètre du cercle intérieur 6 est inférieur ou égal à 3. Par exemple, les schémas ci-joints se rapportent à un diamètre du cercle extérieur de la turbine égal à 4 mètres, un diamètre du cercle intérieur de la turbine égal à 2,75 mètres, pour une hauteur de 2 mètres, le nombre de couples d'aubes étant égal à 8, créant ainsi un intervalle entre chaque couple d'aubes 4 d'une valeur entière égale à 45°. Ce type de turbine 1 est utilisable sur les toits d'immeubles industriels tertiaires ou d'habitations de type individuelles ou collectives. Il est préférable que les abords du toit où est positionnée la turbine 1 fassent l'objet d'une étude aérodynamique pour garantir un bon écoulement du vent au niveau de la turbine 1. Avantageusement, la turbine 1 est insérée dans une structure support par le seul lien du palier auto aligneur 11 au sommet de l'arbre, et de la cage extractible de roulement conique 11 bis à la base de l'arbre. Le rôle de cette -6- structure est de supporter un dispositif de conversion de l'énergie mécanique disponible sur l'arbre de rotation 5 en énergie électrique. Avantageusement, le dispositif de conversion de l'énergie mécanique comporte un système de régulation de la puissance, une génératrice, et éventuellement un multiplicateur de vitesse de rotation. La turbine 1 peut aussi être directement reliée à un dispositif de transmission directe de l'énergie mécanique pour une utilisation particulière (par exemple une pompe hydraulique). L'ensemble de la turbine 1 et de sa structure support repose avantageusement sur un dispositif d'amortissement et d'absorption des vibrations mécaniques. Le rendement aérodynamique brut de la turbine 1 selon l'invention est évalué dans les conditions les plus pessimistes à 22%. Or, il faut savoir que les rendements des dispositifs à axe horizontal de l'art antérieur actuellement sur le marché se situent autour de 30%, avec les limitations de puissance explicitées plus haut. La turbine 1 peut également s'appliquer à un grand nombre d'utilisations parmi lesquelles : - la recharge de batteries d'un véhicule à motorisation électrique en déplacement par transformation de l'énergie de pression accumulée sur les parties frontales du véhicule en énergie électrique utilisée pour recharger les batteries. - la récupération de l'énergie des marées montantes et descendantes grâce à l'indépendance de la turbine à la direction de l'écoulement du fluide. 25 - la production d'énergie électrique sur un voilier. 30 -7-REFERENCES Advantageously, the ratio between the diameter of the outer circle 3 and the diameter of the inner circle 6 is less than or equal to 3. For example, the diagrams attached to a diameter of the outer circle of the turbine equal to 4 meters, a diameter of the inner circle of the turbine equal to 2.75 meters, for a height of 2 meters, the number of pairs of blades being equal to 8, thus creating an interval between each pair of blades 4 of equal integer value at 45 °. This type of turbine 1 can be used on the roofs of tertiary industrial buildings or individual or collective dwellings. It is preferable that the surroundings of the roof where the turbine 1 is positioned are subjected to an aerodynamic study to guarantee good flow of the wind at the turbine 1. Advantageously, the turbine 1 is inserted into a support structure by the turbine 1. only link of the self-aligning bearing 11 at the top of the shaft, and of the extractable rolling bearing housing 11 bis at the base of the shaft. The role of this structure is to support a device for converting the mechanical energy available on the rotation shaft 5 into electrical energy. Advantageously, the mechanical energy conversion device comprises a power control system, a generator, and possibly a speed multiplier. The turbine 1 can also be directly connected to a device for direct transmission of mechanical energy for a particular use (for example a hydraulic pump). The assembly of the turbine 1 and its support structure advantageously rests on a device for damping and absorbing mechanical vibrations. The gross aerodynamic efficiency of the turbine 1 according to the invention is evaluated under the most pessimistic conditions at 22%. However, it should be known that the yields of horizontal axis devices of the prior art currently on the market are around 30%, with the power limitations explained above. The turbine 1 can also be applied to a large number of uses, among which: - the recharging of batteries of a moving electric motor vehicle by transforming the pressure energy accumulated on the front parts of the vehicle into electrical energy used to recharge the batteries. - the recovery of the energy of the rising and falling tides thanks to the independence of the turbine in the direction of the flow of the fluid. 25 - the production of electrical energy on a sailboat. 30 -7-REFERENCES
1. Turbine 2. Hauteur 3. Cercle extérieur 4. Couple d'aubes 5. Axe de rotation 6. Cercle intérieur to 7. Aube amont 8. Aube aval 9. Intrados 10. Extrados 11. Palier auto aligneur 15 11 bis. Cage extractible de roulement conique 12. Bord d'attaque 13. Bord de fuite 14. Plan de l'aube amont 15. Plan de l'aube aval 20 Am. Amont Av. Aval 1. Turbine 2. Height 3. Outer circle 4. Vane torque 5. Rotation axis 6. Inner circle to 7. Upstream rotor 8. Downstream fan 9. Intrados 10. Extrados 11. Self-aligning bearing 15 11a. Extractable Conical Bearing Cage 12. Leading Edge 13. Trailing Edge 14. Upstream Dawn Plan 15. Upstream Dawn Plane 20 Am. Upstream Av. Downstream