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Turbine éolienne à axe transversal.
L'invention concerne une turbine éolienne comportant au moins une pale.
Les turbines éoliennes actuelles sont classées en deux types principaux : les turbines à axe horizontal, et les turbines à axe vertical. Les turbines à axe horizontal sont dites à portance, car elles utilisent cette composante de la force du vent pour produire le couple moteur utile. Les turbines à axe vertical sont classées en deux types, selon la composante de la force du vent qui produit le couple moteur : les turbines à portance, de type"Darrieus"et les turbines à tramée, de type"Savonius" ou autre.
L'inconvénient majeur des éoliennes à axe vertical et à traînée réside dans le couple moteur négatif des pales remontant le vent.
L'inconvénient majeur des éoliennes à portance est de ne pouvoir utiliser la force de traînée.
La présente invention limite ces inconvénients et apporte d'autres avantages expliqués après l'exposé ci-dessous.
Les turbines éoliennes proposées comportent au moins une pale.
Chaque pale est montée sur un arbre secondaire de façon à pouvoir tourner librement sur celui-ci.
Chaque arbre secondaire est fixé perpendiculairement à un arbre principal.
L'arbre principal est monté sur des paliers de façon à pouvoir tourner, pour qu'il puisse être orienté perpendiculairement à la direction du vent.
Un mécanisme raccorde la pale et l'arbre principal de manière à ce que, pour un tour de la pale autour de son arbre secondaire, l'arbre principal fait également un tour.
Ce mécanisme doit être réglé pour que la pale soit sensiblement parallèle au vent lorsqu'elle passe parallèlement à l'axe principal.
Ce mécanisme permet à la force de portance et à la force de tramée d'agir sur chaque pale dans une proportion qui dépend principalement de la vitesse du vent relatif, de la position de la pale sur sa trajectoire, et des diverses caractéristiques de la pale.
Sur toute la trajectoire, la pale est positionnée de façon que la composante utile de la force du vent sur cette pale produise un couple moteur toujours dans le même sens sur l'arbre principal.
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Les turbines comportent avantageusement plusieurs pales et le mouvement décrit est continu et décalé d'une pale à l'autre. Le décalage assure la continuité du couple moteur produit par les pales sur l'arbre principal.
Quand l'arbre principal est horizontal, ce type de turbine éolienne n'a pas besoin de pylône, mais d'un simple support, car le dispositif mécanique force les pales à se mouvoir entre des positions au-dessus de l'arbre horizontal et des positions sensiblement au niveau de cet arbre.
L'absence de pylône amène une réduction de coût, mais aussi une grande facilité d'accès aux pales et aux divers mécanismes pour leur installation et leur maintenance. L'absence de pylône permet aussi une intégration meilleure dans le paysage.
Un autre avantage essentiel est la possibilité, sans changer les autres composants de l'éolienne, de changer ou modifier les pales pour les adapter aux vitesses de vent, au paysage, et aux autres caractéristiques du site éolien.
L'orientation de l'arbre principal perpendiculairement à la direction du vent est réalisable par des moyens classiques tels que l'empennage et les systèmes servomoteur. L'orientation est automatique pour certaines réalisations.
Les pales peuvent être de types tout à fait différents.
Les pales de surface importante privilégiant l'action de la traînée du vent et les vitesses de vent faibles sont avantageusement faites de voilures sous-tendues par des nervures en matériau léger.
Dans des sites éoliens avec des vents de vitesses plus élevées, des profils classiques symétriques sont avantageusement utilisés (par exemple : les profils NACA 0012, 0015...).
Les pales flexibles ont une application idéale avec ce type d'éolienne. Elles augmentent la portance sur une partie de la trajectoire, et permettent une régulation automatique.
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La régulation pour des vents de vitesses plus élevées que la vitesse maximale prévue à la conception, est obtenue statiquement (à l'arrêt), en réduisant la surface des pales, ou dynamiquement (en fonctionnement) en réduisant l'angle entre la direction du vent et la direction de l'arbre horizontal, ce qui réduit les composantes utiles de la force du vent sur les pales.
La mise hors service, pour des vents violents, est obtenue statiquement (à l'arrêt) ou dynamiquement (en fonctionnement) en positionnant l'arbre horizontal et donc les pales parallèlement à la direction du vent.
Avec ou sans pylône, les nacelles des éoliennes classiques à axe horizontal peuvent être adaptées pour fonctionner avec ce type d'éolienne. L'arbre horizontal doit pouvoir être orienté perpendiculairement au vent et prolongé des deux côtés de la nacelle.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire.
Dans les différentes figures représentant une même réalisation (références composées d'un même numéro de figure et d'une lettre différente) les mêmes références désignent des éléments identiques.
Les figures la à Id sont des vues de face de quatre positions d'une turbine à un arbre secondaire et à une pale.
La figure le est une vue en perpective d'une turbine à un arbre secondaire et à une pale.
Les figures 2a à 2d sont des vues de face de quatre positions d'une turbine à deux arbres secondaires coaxiaux et à deux pales.
La figure 2e est une vue en perpective d'une turbine à deux arbres secondaires coaxiaux et à deux pales.
La figure 3 est une vue en perpective d'une turbine à trois arbres secondaires du même coté de l'arbre principal et à trois pales.
La figure 4a est une vue de face d'une position d'une turbine à deux arbres secondaires avec chacun une pale.
La figure 4b est une vue de profil d'un exemple de pale à surface importante, avec une vue de face de cette pale dans la figure 4a..
Les figures 4c à 4f sont des vues de face de quatre positions d'une turbine à deux arbres secondaires avec chacun une pale.
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La figure 5a est une vue de face d'une position d'une turbine à quatre arbres secondaires coaxiaux deux par deux, et quatre pales.
La figure 5a montre une vue de face d'une pale"classique"de type NACA 0015, la figure 5e montre une coupe selon AA'de deux pales de ce type.
Les figures 5b et 5c sont des vues de face de deux positions d'une turbine à quatre arbres secondaires coaxiaux deux par deux, et quatre pales.
La figure 5d est une vue d'en haut d'une position d'une turbine à quatre arbres secondaires coaxiaux deux par deux, et quatre pales non représentées.
La figure 6 est une vue d'en haut d'une position d'une turbine à quatre arbres secondaires coaxiaux deux par deux, et quatre pales (non représentées) avec un empennage.
La figure 7 est une vue d'en haut d une position d'une turbine à quatre arbres secondaires coaxiaux deux par deux, et quatre pales. L'arbre horizontal est excentré par rapport à l'axe vertical.
La figure 8 est une vue d'en haut d'une position d'un ensemble de deux turbines éoliennes avec chacune deux arbres secondaires coaxiaux et deux pales. Les deux arbres horizontaux font un angle entre eux.
Les réalisations décrites ci-dessous, ne sont pas exhaustives, ni dans le nombre et les positions des arbres principaux et secondaires, ni dans les dimensions, le nombre et la forme des pales, ni dans le type de roues dentées, ni dans les différents composants du support, ni dans les moyens de transmettre le couple moteur, ni dans les systèmes d'orientation par rapport au vent, ni dans les systèmes de régulation.
La réalisation la plus simple d'une turbine éolienne est représentée par les figures la à le. Elle est constituée d'une pale plane (110). Cette réalisation explique le mouvement de cette pale et de chaque pale des autres réalisations. La pale (110) est solidaire de la roue dentée (120) centrée sur l'arbre secondaire (101). La roue dentée (125) centrée sur l'arbre principal horizontal (100) mais fixe en rotation par rapport à cet arbre (100), a le même nombre de dents que la roue dentée (120). Les deux roues dentées forment un engrenage concourant et perpendiculaire. L'ensemble pale (110) et roue dentée (120) tourne autour de l'arbre (101) à la même vitesse angulaire que celle de la rotation de l'arbre horizontal principal (100).
C'est ce mécanisme qui positionne la pale en permanence au-dessus de l'arbre (100) ou sensiblement au niveau de cet arbre.
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Les figures (1 a à 1 d) montre quatre positions de l'éolienne, décalées de 90 dans son mouvement de rotation autour de l'arbre horizontal (100) Le vent pour ces figures est orienté perpendiculairement au plan du dessin.
La roue dentée (125) est solidaire du cylindre (130). Ce cylindre (130) doit s'orienter perpendiculairement au vent en tournant autour de l'axe (105).
Les mécanismes de transmission du couple moteur, de régulation, et d'orientation au vent ne sont pas représentés. Le support est suggéré par le palier (140) roulant sur le bloc (141) fixé au sol.
La figure le est un dessin en perspective correspondant à la position de la figure la..
La turbine éolienne représentée par les figures 2a à 2e, est obtenue en ajoutant à la réalisation précédente, une pale (211) identique à la pale (210) et solidaire d'une roue dentée (221) identique à la roue dentée (220).
Les ensembles pales (210 et 211) et roues dentées (220 et 221) tourne autour de deux arbres coaxiaux (201 et 202) à la même vitesse angulaire que celle de la rotation de l'arbre horizontal principal (200). C'est ce mécanisme qui positionne la pale en permanence au-dessus de l'arbre (200) ou sensiblement au niveau de cet arbre.
Les figures 2a à 2d montre quatre positions de l'éolienne décalées de 90 dans son mouvement de rotation autour de l'arbre horizontal (200). Les deux pales (210 et 211) tournent autour de leur arbre secondaire respectif (201 et 202). Le vent pour ces figures est orienté perpendiculairement au plan du dessin.
La roue dentée (225) est solidaire du cylindre (230). Ce cylindre doit s'orienter perpendiculairement au vent en tournant autour de l'axe (205).
Les mécanismes de transmission du couple moteur, de régulation, et d'orientation au vent ne sont pas représentés. Le support est suggéré par le palier (240) roulant sur le bloc (241) fixé au sol.
La figure 2e est un dessin en perspective correspondant à la position de la figure 2a..
La turbine éolienne, illustrée en perpective par la figure 3, fonctionne de façon similaire aux réalisations précédentes. Elle est formée de trois roues dentées (321,322 et 323) solidaires respectivement des 3 pales (311,312 et une pale non illustrée) qui tournent respectivement autour de trois arbres concourant (301,303, et un arbre non visible centré sur l'axe 302) faisant entre eux un angle de 120 . Ces trois arbres sont solidaires et perpendiculaires à l'arbre horizontal (300). La roue dentée (325) fixe en rotation par rapport à l'arbre horizontal (300) est solidaire du cylindre (330).
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Pour éviter le croisement des trajectoires des pales, celles ci sont inclinées chacune par rapport à un plan perpendiculaire à leur axe de rotation.
La réalisation illustrée par les figures 4a à 4f est une turbine éolienne composée de deux arbres secondaires disposés sur un arbre horizontal (400) de part et d'autre et à même distance d'un axe vertical (405) autour duquel tourne l'ensemble de l'éolienne pour s'orienter favorablement au vent. Le vent a une direction perpendiculaire au plan des figures 4a et 4c à 4f..
Autour de chaque arbre secondaire (401 et 402) tourne une pale (410 et 415). Ces deux arbres secondaires (401 et 402) sont avantageusement, mais pas obligatoirement perpendiculaires entre eux, ce qui permet d'équilibrer le moment des forces des pales sur l'arbre horizontal (400) pendant sa rotation.
Pour pouvoir se croiser, les pales (410 et 415) doivent avoir une partie courbe (416 dans la figure 4b). Une pale typique (415) à surface importante est illustrée aux figures 4a et 4b..
Les roues dentées (425 et 426) fixes en rotation par rapport à l'arbre horizontal (400) sont solidaires du cylindre (430) dans lequel tourne l'arbre horizontal (400).
Ce cylindre tourne sur le support (441) par l'intermédiaire de paliers (440 et 442) autour de l'axe (405).
La transmission du couple moteur se fait à partir de l'arbre (400) par une poulie (450) ou d'autres moyens tels que des engrenages ou roues à friction.
Les figures 4c à 4f montrent quatre positions des pales et des arbres de l'éolienne.
La réalisation illustrée par les figures 5a à 5d est une turbine éolienne composée de quatre arbres secondaires disposés sur un arbre horizontal (500), ils sont coaxiaux deux par deux et les deux paires sont situées de part et d'autre et à même distance d'un axe vertical (505) autour duquel tourne l'ensemble de l'éolienne pour s'orienter favorablement au vent. Le vent a une direction perpendiculaire au plan des figures 5aà5c..
Chaque arbre secondaire (501,502, 503 et 504) est muni d'une pale. Ces deux couples d'arbres secondaires (501 et 503) et (502 et 504) sont avantageusement, mais pas obligatoirement perpendiculaires entre eux, ce qui permet d'équilibrer le moment des forces des pales sur l'arbre horizontal (500) pendant sa rotation.
Pour pouvoir se croiser, les pales (510,511, 515 et 517) doivent avoir une partie courbe, comme il est décrit dans la figure 4b de la réalisation précédente. Des pales classiques de type NACA0015 (415 et 417) sont illustrées aux figures 5a et 5e. La partie courbe de la pale peut également avoir ce profil. Dans la position de la figure 5a, une pale (517) est cachée par une autre pale (515).
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Les roues dentées (525 et 526) fixes en rotation par rapport à l'arbre horizontal (500), sont solidaires du cylindre (530) dans lequel tourne l'arbre horizontal (500).
Ce cylindre tourne sur le support (541) par l'intermédiaire de paliers (540 et 542) autour de l'axe (505).
La transmission du couple moteur se fait à partir de l'arbre (500) par une poulie (550) ou d'autres moyens tels que des engrenages ou roues à friction.
Les figures 5b et 5c montrent deux positions des pales et des arbres de l'éolienne.
La figure 5d est une vue de haut, sans les pales, permettant de représenter le support avantageusement cylindrique (541), sur lequel roulent les deux paliers (540 et 542).
Ceci permet à la turbine éolienne de s'orienter favorablement au vent. La direction du vent est indiquée (V) dans la figure 5d..
Une réalisation composée de six pales et six arbres secondaires disposés trois par trois à chaque extrémité de l'arbre principal est possible, mais pas illustrée.
Les systèmes d'orientation possible sont illustrés par les figures 6,7 et 8 concernant des turbines éoliennes de quatre arbres secondaires et quatre pales. Les pales ne sont pas représentées. Ces systèmes sont applicables aux autres réalisations décrites.
La direction du vent est symbolisée par la flèche (V).
La figure 6 montre l'utilisation d'un empennage (670) attaché au cylindre (630) qui tourne autour de l'axe (605).
La figure 7 montre un système dans lequel l'arbre horizontal (700) est décalé par rapport à l'axe vertical (705). Le cylindre (730) et les paliers (740 et 742) sont reliés par les bras (780 et 781). L'ensemble tourne autour de l'arbre vertical (706) sur le support (741).
La figure 8 illustre une combinaison de deux turbines éoliennes. Leurs arbres horizontaux (808 et 809) concourent en un point situé sur l'axe vertical (805).
Les deux arbres font un angle relativement faible, qui permet l'orientation automatique de l'ensemble par rapport au vent (V). Ce dispositif permet aussi la régulation en augmentant l'angle (fui) entre les deux arbres (808 et 809) en fonction de la force du vent, par réduction de la composante utile de cette force sur les pales.
Les matériaux nécessaires à la fabrication des pales sont fonction des qualités voulues et prévues à la conception, telles que la solidité, la légèreté, l'élasticité, la résistance au soleil, à l'eau, au vieillissement, etc..
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Les pales de surface plane et importante sont avantageusement faites de voilures (voiliers, planche à voile, etc. ) sous-tendues par des nervures en matériau solide et léger (aluminium, fibre de verre, matériaux composites, etc. ). L'élasticité des voiles doit être réglée, pour éviter les claquements à chaque tour.
Les pales de type classique, sont normalement symétriques, et faites des matériaux connus des professionnels, tels que le bois, l'acier soudé, l'acier laminé, l'aluminium, les mousses d'uréthane, la fibre de verre, les matériaux composites, etc..
Les applications industrielles sont celles de toutes les éoliennes, leur but est de produire de l'électricité, de la chaleur, et/ou du mouvement. Le mouvement peut, entre autres, servir au pompage d'eau.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux réalisations décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à cette dernière sans sortir du cadre des présentes revendications.