WO1981000286A1 - Turbine eolienne - Google Patents

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J Barracho
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J Barracho
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/02—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • F03D1/025—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors coaxially arranged
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/20—Geometry three-dimensional
    • F05B2250/23—Geometry three-dimensional prismatic
    • F05B2250/232—Geometry three-dimensional prismatic conical
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a device for capturing wind power and transforming it into pneumatic or electrical energy.
  • wind turbines Devices designed to capture and transform the power of the wind, called wind turbines, have been used for centuries to pump water or do any other similar work. Efforts have been made to improve the efficiency of wind turbines without obtaining effective results.
  • the power produced by a conventional wind turbine is directly proportional to the square of the diameter of the circle described by the rotation of the ends of the blades and to the cube of the wind speed. Furthermore, the further the point of application of the wind force is from the axis, the more the turbine is rotated, but the larger the diameter, the lower the speed of rotation.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks and relates to a wind motor intended to drive a compressor, and; combining all the advantages that can be obtained from a large diameter wind turbine without the disadvantages.
  • the wind motor according to the invention is in the form of a turbine comprising two large diameter rotors provided with small blades integral with the same axis arranged in a cylindrical chamber or tunnel, means being provided for directing the air towards the blades rotors, and then channel it outwards, the assembly being surrounded by a second annular chamber intended to heat the air during its passage between the two rotors.
  • a compressor or any other device (dynamo, pump, etc.), the whole being arranged in a fairing intended to facilitate the flow of the 'air.
  • the assembly is mounted on a support pivoting 360 °, inside which is provided a descent of compressed air, in the example shown, but this pipe can be replaced by an electric cable in the case where a dynamo is driven, by the device.
  • Figure 1 is a perspective view of the turbine according to the invention.
  • Figure 2 is a sectional view of the turbine.
  • the device according to the invention consists of a cylindrical chamber or tunnel 1 inside which is disposed a horizontal axis 2, carried by rolling bearings 3, and supported by three streamlined and inclined spacers 4, arranged at 120 °, at each end of the tunnel; on the horizontal axis 2, two rotors are mounted: an inlet rotor 5 and an outlet rotor 6.
  • These rotors are constituted by a disc 7 of large diameter at the periphery of which are blades 8, profiled.
  • These vanes 8 are mounted by means of a bushing in orifices provided at the periphery of the disc 7, with the possibility of adjusting their angle of inclination.
  • a fairing 9 forming a convergent intended to channel the air towards the blades of the rotor 5.
  • the fairing must have on the air inlet side at least a diameter twice that of the rotor
  • the disc 7, advantageously carries on the outer face a cone of attack 7a, intended to cooperate with the convergent 9, to direct the air on the blades 8 alone.
  • a second fairing 10 forming a diverging portion.
  • a nacelle 11 carried by three spacers fairings 12, so as not to disturb the flow of air. These spacers are also arranged at 120 ° from each other.
  • the nacelle 11 forms a leak cone 11a, facilitating the relaxation of the air.
  • an air compressor 13 whose axis 14, is connected to axis 2, of the wind turbine by means of a grooved rod 15, allowing a certain play between said axes.
  • the compressed air outlet pipe 16 of the compressor 13 is judiciously placed in one of the spacers 12, to exit under the tunnel 1.
  • annular chamber 17 is provided, arranged over the entire length of the tunnel 1. On the end of this chamber 17, located on the side of the fairing 9, are provided small fins 18 allowing the entry of air into this room.
  • This air will be heated by the compressed air from the pipe 16, passing through said chamber 17; this heat will have the effect on the one hand of causing an expansion of the air located between the inlet rotor 5 and the outlet rotor 6, causing it to be ejected at a higher speed, and on the other hand, avoiding the icing of the whole in cold weather.
  • the assembly is mounted on a support 19, constituted by a vertical tube 20, inside which is mounted a rolling bearing 21, in which the end of a mast 22 will come, for example, so as to allow the whole rotate 360 °.
  • the compressed air line 16 will descend inside the mast 22, an O-ring 23 being provided at the upper end of said mast to allow rotation of the assembly, and the compressed air is directed to the ground towards a tank storage (not shown).
  • the operation of the wind turbine is simple.
  • the air enters the converging formed by the fairing 9, it is concentrated on the blades 8 of the rotor 5; its speed therefore increases and the air then passes through the blades of the rotor 5 causing it to rotate at a speed proportional to that of the flow.
  • the air then passes through the tunnel 1 where it heats up slightly, which has the effect of slightly increasing its speed. It then passes through the vanes 8 of the outlet rotor 6, and it is then ejected and expands outwards through the divergent 10.
  • the rotation of the rotors causes the compressor 13 to drive through the axis 2, the grooved rod 15, and the axis 14.
  • the compressed air produced passes through the tube 16, which passes through the annular chamber 17, heating the the air there, and is directed to the storage tank where it can be used as needed.
  • the air flow takes place in the turbine according to the invention without any turbulence, the spacers being all faired.
  • the turbine according to the invention can be made of metal, or plastic, in particular fairings, and is of very economical cost, allowing its use in poor countries.
  • the use of this wind turbine with a compressor allows easy and long-term compressed air storage, but of course, the compressor could be replaced by any other device, in particular an electric generator.

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Abstract

Turbine eolienne caracterisee en ce qu'elle comprend deux rotors (5 et 6) munis d'aubes (8) disposees dans une premiere chambre cylindrique ou tunnel (1) comportant un carenage (9) formant convergent dirigeant l'air sur les aubes (8), l'ensemble etant entoure d'une seconde chambre annulaire (17) prevue pour rechauffer l'air s'ecoulant dans la premiere chambre (1). Turbine eolienne destinee a actionner un compresseur d'air, une generatrice electrique ou analogue.

Description

Turbine éo Tienne
La présente invention a pour objet un dispositif pour capter la puissance éol ienne et la transformer en énergie pneumatique ou électrique.
Les dispositifs destinés à capter et à transformer la puissance du vent, appelés éoîiens , sont uti l isés depuis des siècles pour pomper l ' eau ou assurer tout autre travail analogue. On s 'est efforcé d'amél iorer le rendement des ëol iennes sans obtenir de résul tats efficaces .
La puissance produite par une éol ienne classique est directement proportionnellé au carré du diamètre du cercle décrit par la rotation des extrémités des pales et au cube de la vitesse du vent. Par ai lleurs, plus le point d' application de la force éolienne est éloigné de l 'axe, de la turbine pl us le couple de rotation est élevé, mais plus le diamètre est grand plus la vitesse de rotation est faible .
La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et concerne un moteur éolien destiné à entraîner un compresseur, et; combinant lensemble des avantages que Ton peut tirer d'une éolienne de grand diamètre sans en comporter les inconvénients.
Le moteur éolien selon l'invention se présente sous la forme d'une turbine comportant deux rotors de grand diamètre munis de petites aubes solidaires d'un même axe disposés dans une chambre cylindrique ou tunnel, des moyens étant prévus pour diriger Tair vers les aubes des rotors, et ensuite le canaliser vers l'extérieur, l'ensemble étant entouré d'une seconde chambre annulaire prévue pour réchauffer Tair pendant son passage entre les deux rotors. A l'extrémité de l'axe portant les rotors est prévu, par exemple, un compresseur, ou tout autre dispositif (dynamo, pompe, etc.), le tout étant disposé dans un carénage ayant pour objet de faciliter l'écoulement de l'air.
L'ensemble est monté sur un support pivotant sur 360°, à l'intérieur duquel est prévu une descente d'air comprimé, dans l'exemple représenté, mais cette canalisation peut être remplacée par un câble électrique dans le cas où une dynamo est entraînée, par le dispositif.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'une de ses réalisations et à l'examen des dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une vue en perspective de la turbine selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe de la turbine.
Sur ces dessins on voit que le dispositif selon l'invention est constitué d'une chambre cylindrique ou tunnel 1 à l'intérieur duquel est disposé un axe horizontal 2, porté par des paliers à roulements 3, et supporté par trois entretoises carénées et inclinées 4, disposées à 120°, à chaque extrémité du tunnel; sur l'axe horizontal 2, sont montés deux rotors: un rotor d'entrée 5 et un rotor de sortie 6. Ces rotors sont constitués par un disque 7 de grand diamètre à la périphérie duquel sont disposées des aubes 8, profilées. Ces aubes 8 sont montées au moyen d'une douille dans des orifiçes prévus à la périphérie du disque 7, avec possibilité de régl age de leur angle d'inclinaison. A l'une des extrémités du tunnel 1, du côté du rotor d'entrée 5, est disposé un carénage 9, formant convergent destiné à canaliser l'air vers les aubes du rotor 5. Le carénage doit avoir du côté entrée d'air au moins un diamètre double de celui du rotor Le disque 7, porte de manière avantageuse sur la face extérieure un cône d'attaque 7a, destiné à coopérer avec le convergent 9, pour diriger l'air sur les seules aubes 8.
A l'autre extrémité du tunnel 1, du côté du rotor de sortie 6, est disposé également un second carénage 10, formant divergent. A l'intérieur de ce carénage est disposé une nacelle 11, portée par trois entretoises carénées 12, de manière à ne pas perturber l'écoulement de l'air. Ces entretoises sont également disposées à 120° les unes des autres. La nacelle 11, forme un cône de fuite lia, facilitant la détente de l'air. A l'intérieur de la nacelle 11 est disposé dans l'exemple représenté, un compresseur d'air 13, dont l'axe 14, est relié à l'axe 2, de la turbine éolienne au moyen d'une tige cannelée 15, permettant un certain jeu entre lesdits axes. La canalisation de sortie d'air comprimé 16, du compresseur 13, est judicieusement disposée dans une des entretoises 12, pour sortir sous le tunnel 1. Afin d'utiliser la chaleur dégagée par l'air comprimé pour provoquer l'expansion de l'air passant entre deux rotors 5 et 6, on a prévu une chambre annulaire 17, disposée sur toute la longueur du tunnel 1. Sur l'extrémité de cette chambre 17, située du côté du carénage 9, sont prévues des petites ailettes 18 permettant l'entrée de l'air dans cette chambre. Cet air sera réchauffé par l'air comprimé de la canalisation 16, passant dans ladite chambre 17; cette chaleur aura pour effet d'une part de provoquer une expansion de l'air situé entre le rotor d'entrée 5, et le rotor de sortie 6, provoquant son éjection à une plus grande vitesse, et d'autre part, éviter le givrage de l'ensemble par grand froid.
L'ensemble est monté sur un support 19, constitué par un tube vertical 20, à l'intérieur duquel est monté un palier à roulement 21, dans lequel viendra l'extrémité d'un mât 22, par exemple, de façon à permettre à l'ensemble de pivoter sur 360°.
La canalisation d'air comprimé 16 descendra à l'intérieur du mât 22, un joint torique 23 étant prévu à l'extrémité supérieure dudit mât pour permettre la rotation de l'ensemble, et l'air comprimé sért dirfgé au sol vers un réservoir de stockage (non représenté).
Le fonctionnement de la turbine éolienne est simple. L'air entre dans le convergent formé par le carénage 9, il est concentré sur les aubes 8 du rotor 5; sa vitesse augmente donc et l'air traverse alors les aubes du rotor 5 provoquant sa rotation à une vitesse proportionnelle à celle de l'écoulement. L'air traverse alors le tunnel 1 où il se réchauffe légèrement, ce qui a pour effet d'augmenter légèrement sa vitesse. Il traverse alors les aubes 8 du rotor de sortie 6, et il est alors éjecté et se détend vers l'extérieur par le divergent 10. La rotation des rotors provoque l'entraînement du compresseur 13 par l'intermédiaire de l'axe 2, de la tige cannelée 15, et de l'axe 14. L'air comprimé produit passe par le tube 16, qui traverse la chambre annulaire 17, réchauffant l'air qui s'y trouve, et est dirigé vers le réservoir de stockage où on pourra l'utiliser selon les besoins. L'écoulement de l'air s'effectue dans la turbine selon l'invention sans aucune turbulence, les entretoises étant toutes carénées.
La turbine selon l'invention peut être réalisée en métal, ou en matière plastique, notamment les carénages, et est d'un coût très économique, permettant son utilisation dans les pays pauvres. L'utilisation de cette turbine éolienne avec un compresseur permet un stockage d'air comprimé facile et de longue durée, mais bien entendu, on pourrait remplacer le compresseur par tout autre dispositif, notamment une génératrice ëlectrique.
La simplicité de sa réalisation permet également une utilisation de longue durée sans entretien, par exemple dans les pays pauvres.

Claims

Revendications de brevet
1. Turbine éolienne caractérisée en ce qu'elle comprend deux rotors (5 et 6) munis d'aubes (8) calées sur un axe central (2), disposés dans une chambre cylindrique ou tunnel (1), comportant d'un côté un carénage (9) formant convergent destiné à diriger l'air sur le premier rotor (5), et de l'autre côté, un second carénage (10) formant divergent destiné à faciliter la détente de l'air ayant traversé le second rotor (6), l'ensemble étant entouré d'une chambre annulaire (17) prévue pour réchauffer l'air s'écoulant dans le tunnel (1), l'axe central (2) étant relié à un compresseur d'air (13) disposé à l'intérieur d'une nacelle (11) située au centre du divergent (10), la canalisation d'air comprimé (16) débouchant dudit compresseur traversant la chambre annulaire (17) pour descendre à l'intérieur du mât (22) supportant l'ensemble.
2. Turbine éolienne selon 1, caractérisée en ce que les aubes (8) des rotors d'entrée (5) et de sortie (6) sont d'inclinaison réglable.
3. Turbine éolienne selon 1 caractérisée en ce que le disque (7) du rotor d'entrée (5) comporte un cône d'attaque (7a) destiné à coopérer avec le convergent (9).
4. Turbine éolienne selon 1 caractérisée en ce que le carénage (9) formant convergent est d'un diamètre au moins double du diamètre du tunnel (1).
5. Turbine éolienne selon 1 caractérisée en ce que la nacelle (11) disposée dans le divergent (10) comporte un cône de fuite (11a).
6. Turbine éolienne selon 1 caractérisée en ce que la canalisation d'air comprimé (16) venant du compresseur (13) est disposée dans Tune des entretoises (12).
7. Turbine éolienne selon 1 caractérisée en ce que la canalisation d'air comprimé (16) venant du compresseur disposé dans la nacelle (11) sert au chauffage de Tair s'écoulant dans le tunnel (1) par l'intermédiaire d'une chambre annulaire (17) entourant celui-ci. REVENDICATIONS MODIFIEES
(reçues par le Bureau international le 15 décembre 1980 (15.12.80))
I.Turbine éolienne ayant du côté au vent un premier carénage formant convergent et coopérant avec un cône d'attaque et du côté sous le vent un second carénage formant divergent et coopérant avec un cône de fuite,un corps cylindrique reliant les extrémités de petit diamètre des deux carénages et formant un tunnel horizontal de circulation d'air,l'ensemble étant disposé à pivotement sur l'extrémité d'un mat vertical, caractérisée en ce qu'elle comprend sur un arbre commun (2) un premier rotor (5) de grand dimétre disposé à l'entrée du tunnel (l) à l'extrémité du premier carénage convergent (9) un second rotor (6) de grand diamètre à la sortie du tunnel (l) dans le second carénage divergent (10),chaque rotor étant muni à la périphérie de petites aubes multiples dont l'inclinaison est réglable de façon connue en soi et un appareil générateur de fluide (13) entrainé en rotation par l'arbre commun (2) des rotors et disposé dans une nacelle (11) située au centre du carénage divergent (10),le tunnel (1) contenant l'ensemble tournant de la turbine étant disposé dans une chambre dont la paroi cylindrique extérieure relie les deux carénages (9,10) et forme avec la paroi du tunnel (1) et les deux carénages une chambre annulaire (17) de réchauffement de l'air circulant dans le tunnel (1) et dans laquelle passe des canalisations (16) d'évacutation du fluide produit dans l'appareil générateur (13) qui descendent ensuite à l'intérieur du mât (22) supportant l'ensemble.
2.Turbine éolienne selon la revendication 1,caractérisée en ce que le rapport du diamètre à l'entrée au vent du premier carénage (9) formant convergent, au diamètre du tunnel (1) contenant les rotors (5,6) est att moins égal à deux.
3.Turbine éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que sur le fond de la chambre annulaire (17) formé par le premier carénage (9) sont prévues des petites ailette© (18) permettant l'entrée de l'air dans cette chambre .
4. Turbine éolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la nacelle (11) disposée dans le second carénage (10) formant divergent y est fixée par des entretoises carénées (12) et forme à sa partie attenant au second rotor (6) le cône de fuite (11a) , qui diverge en directionde la sortie du second carénage, (10).
5.Turbine éolienne selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'appareil générateur de fluide (13) disposé dans la nacelle (11) est un compresseur d'air.
6. Turbine éolienne selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'appareil générateur de fluide (13) disposé dans la nacelle (11) est un générateur de courant électrique, une pompe hydraulique' ou un appareil analogue.
7. Turbine éolienne selon la revendication 5 caractérisée en ce que l'air comprimé venant du compresseur (13) dans des canalisations d'évacuation (16) sert à réchauffer l'air s'écoulant par le tunnel (1) par l'intermédiaire de ces canalisations traversant l'une des entretoises carénées (12) de la nacelle (11) et passant dans la chambre annulaire (17) entourant le tunnel.
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