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Turbine éolienne à axe transversal munie d'un dispositif de réglage du calage.
L'invention concerne une turbine éolienne à axe transversal munie d'un dispositif permettant de régler l'angle de calage de chaque pale en chaque point de leur trajectoire.
Les turbines éoliennes à axe transversal 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.
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.
L'inconvénient majeur des turbines éoliennes à axe transversal tient dans le fait que l'angle de calage (angle que fait la corde du profil de la pale avec la tangente à sa trajectoire) est trop important sur certaines parties de la trajectoire.
Suivant l'invention, la turbine éolienne comporte un dispositif qui a pour objet de remédier à cet inconvénient. Ce dispositif force la pale à osciller autour de son arbre longitudinal de façon à en modifier l'angle de calage.
Le dispositif consiste en un essieu fixé perpendiculairement à l'arbre longitudinal.
L'essieu est muni de deux roues situées de préférence à égales distances de cet arbre. Les deux roues se déplacent sur une came cylindrique dont l'axe est parallèle à l'arbre porteur de la pale. Cette came tourne solidairement avec l'arbre principal.
La différence de hauteur de la came en deux points symétriques par rapport à son axe définit la correction de l'angle de calage.
Cette came est profilée en fonction des réglages de calage souhaités qui dépendent des caractéristiques des pales et du site éolien. Cette came peut être aisément usinée et changée.
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Un dispositif supplémentaire permet d'incliner la came de façon à adapter l'ensemble des angles de calage de la trajectoire en fonction du régime de l'éolienne.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la revendication secondaire et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemple non limitatif, le dispositif.
Les figures la et lc sont des vues de haut de deux positions d'une turbine à deux arbres secondaires coaxiaux et à deux pales.
Les figures 1 b et Id sont des vues de face des mêmes deux positions de cette turbine à deux arbres secondaires coaxiaux et à deux pales.
Les figures le et If représentent les profils des pales pour la position représentée dans les figures 1 c et Id.
Les figures Ig et Ih décrivent le dispositif de réglage avec le mécanisme qui permet d'incliner la came, pour la même position que celle des figures lc et Id.
Les figures 2a et 2b représentent des projections de la trajectoire d'un point d'une pale situé à la distance"L"du pied de celle-ci.
Les figures 3 représente la position de la pale en cinq point de la trajectoire.
La figure 4 représente en graphique l'angle de calage pour un quart de la trajectoire et la zone dans laquelle doit se situer l'angle de correction.
La figure 5 représente les diagrammes des vitesses pour deux point exemplaires.
La figure 6 représente deux profils de came, et trois positions pour chaque profil.
Dans les différentes figures représentant la même réalisation (figures la à Ih) les mêmes références désignent des éléments identiques.
Les réalisations décrites ci-dessous ne sont pas exhaustives, ni dans les dimensions et la forme de la came, des essieux et des roues, ni dans la façon dont l'essieu suit la forme de la came, ni dans les moyens qui permettent d'incliner la came.
Le dispositif s'applique à toutes les pales des différentes réalisations de turbine éolienne à axe transversal.
La réalisation exemplaire choisie est représentée par les figures la à Ih. Dans cette réalisation l'arbre principal est horizontal. Cette turbine comporte deux pales (110 et 111).
Les arbres longitudinaux (115 et 116) des pales sont attachés chacun sur un arbre porteur de pale (117 et 118) et peuvent pivoter autour de leur axe respectif (108 et 109).
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Les arbres porteurs de pale (117 et 118) sont solidaires des roues dentées (120 et 121).
Les ensembles"arbres porteurs de pale" (117 et 118) et roues dentées (120 et 121) tournent autour de deux arbres coaxiaux (101 et 102) à la même vitesse angulaire que celle de la rotation de l'arbre horizontal principal (100). 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 les roues dentées (120 et 121).
Ce mécanisme positionne la pale en permanence au-dessus de l'arbre (100) ou sensiblement au niveau de cet arbre.
La roue dentée (125) est solidaire du cylindre (130). Ce cylindre doit s'orienter perpendiculairement au vent en tournant autour de l'axe vertical (105).
Un carter (boite à huile) (150) peut contenir les engrenages. Il est solidaire de l'arbre principal et tourne donc avec celui-ci.
Les figures la et lc sont des vues de haut de deux positions de cette turbine. Les figures 1 b et Id sont des vues de face des mêmes deux positions. Pour la clarté, la face avant du carter est ouverte.
Le vent pour les figures lb, Id, et lh est orienté perpendiculairement au plan du dessin. Le vent pour les figures la, Ic, le, If et lh est représenté par le vecteur (Vw).
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 20bloc (141) fixé au sol.
Cette réalisation de turbine éolienne à axe transversal, comporte deux pales et deux dispositifs de réglage identiques. Un dispositif de réglage du calage sera décrit après l'analyse de la trajectoire de la pale et des diagrammes des vitesses.
Les figures 2a et 2b décrivent la trajectoire d'un point de l'axe longitudinal de la pale situé à la distance (L) du pied de pale. (D) représente la distance du pied de pale à l'arbre principal.
La figure 2a montre la trajectoire projetée sur un plan frontal perpendiculaire à la direction du vent. La figure 2b montre la trajectoire projetée sur un plan parallèle au 30sol.
La figure 3 montre l'inclinaison de la pale sur sa trajectoire et l'angle de calage sans dispositif de réglage dans cinq positions choisies sur un quart de la trajectoire.
La figure 4 montre la courbe du calage effectif de la pale sans correction.
Les trois autres quarts de la trajectoire sont sensiblement symétriques au premier quart respectivement par rapport à l'axe (201), (202), et leur point de croisement (203).
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Les figures 5a et 5b montrent les diagrammes des vitesses pour deux positions exemplaires de la pale.
Tr est la tangente à la trajectoire dans la position choisie.
Vw est le vecteur représentant la vitesse du vent.
Vd est le vecteur représentant la vitesse de l'air sur la pale considérée comme fixe.
Ce vecteur est de direction opposée à la vitesse de déplacement de la pale.
Vr est le vecteur représentant la vitesse du vent relatif, résultant des vecteurs Vw et Vd. u est l'angle de calage sans correction. i est l'angle d'incidence c'est à dire l'angle entre la corde de la pale et le"vent relatif.
Pour des pales aérodynamiques et des régimes normaux de fonctionnement, il est recommandé que l'angle d'incidence ait une valeur entre 10 et 15 degrés.
A titre d'exemple, la figure 5a montre un angle d'incidence dans le bon sens. La figure 5b montre un angle d'incidence négatif, la pale est freinée dans cette partie de la trajectoire.
Ceci montre la nécessité de réduire l'angle de calage (R), sur presque toute la trajectoire.
Le choix des angles de calage corrigés résultera du type de pale, ses caractéristiques aérodynamiques, ses dimensions, et le régime optimal prévu.
En pratique pour l'éolienne à axe transversal, aux régimes de fonctionnement normaux, les angles de calage auront des valeurs comprises entre 5 et 15 degrés.
A titre d'exemple, la figure 4 montre en traits hachurés la zone dans laquelle peut s'inscrire la courbe des angles de correction du calage. Le profil de la came pourra être déduit de cette courbe. Les angles de calage corrigés sont représentés par la différence entre les deux courbes.
En ce qui concerne les régimes de démarrage et/ou les régimes par vent de vitesse faible, les corrections de calage doivent être plus faibles, voire nulles. Ce problème peut être résolu, en dotant le dispositif de réglage d'un mécanisme qui permet à la came de prendre des inclinaisons plus faibles et donc de provoquer des corrections de calage plus faibles sur toute la trajectoire de la pale.
La figure 6 montre en (C2) un profil correspondant à un régime normal, en (C I) un profil simplifié pour un régime normal. La figure montre aussi en C'2 et C"2 des profils pour des régimes de démarrage ou par vent de vitesse faible et en C'1 et C"1 des profils simplifiés pour ces mêmes régimes.
Les figures la, Ib, Ig et Ih montrent la pale (110) dans la position (13) montrée dans la description de la trajectoire.
La figure 1 b montre la pale (111) dans la position (5).
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Les figures lc à le montrent la pale (110) dans la position (1).
Les figures 1 c et If montrent la pale (111) dans la position (9).
Le dispositif consiste en un essieu (161) solidaire de l'arbre transversal de la pale (115). L'essieu est muni de deux roues (162 et 163) situées à égales distances de l'arbre (115). Les deux roues (162 et 163) se déplacent sur une came cylindrique (165) dont l'axe est parallèle à l'arbre porteur de la pale (117) et très proche de celui-ci. Cette came (165) est solidaire du carter (150) contenant les roues dentées (120,121, et 125). Le carter (150) et donc la came (165) tournent solidairement avec l'arbre principal (100).
La différence de hauteur de la came en deux points symétriques par rapport à son axe définit la correction de l'angle de calage.
Cette came est profilée en fonction des modifications de l'angle de calage souhaitées qui dépendent des caractéristiques des pales et du site éolien. Cette came peut être aisément usinée et changée.
Les figures Ig et lh montrent un dispositif de réglage du calage avec une came profilée selon la courbe C2 (voir figure 6), attachée à deux arbres (172 et 173) pouvant pivoter dans les coussinets (174 et 175). La came peut donc, en tournant autour de l'axe (171), prendre une inclinaison qui est fonction du régime de l'éolienne.
Le positionnement de la came peut être réalisé par divers moyens tels que : - un moteur linéaire (181) actionné en fonction de la vitesse de l'éolienne, ou - un arbre (182) solidaire de la came (165) muni d'une roue (183) qui se déplace sur une autre came (184) coaxiale avec le cylindre (130). La came peut se déplacer parallèlement à l'axe du cylindre et est profilée de façon à donner à l'arbre (182) et donc à la came (165) l'inclinaison désirée.
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 ces dernières sans sortir du cadre de la présente revendication.
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Wind turbine with transverse axis fitted with a timing adjustment device.
The invention relates to a wind turbine with transverse axis provided with a device making it possible to adjust the pitch angle of each blade at each point of their trajectory.
Wind turbines with transverse axis comprise at least one blade.
Each blade is mounted on a secondary shaft so that it can rotate freely thereon.
Each secondary shaft is fixed perpendicular to a main shaft.
The main shaft is mounted on bearings so that it can rotate, so that it can be oriented perpendicular to the wind direction.
A mechanism connects the blade and the main shaft so that, for one turn of the blade around its secondary shaft, the main shaft also makes a turn.
This mechanism must be adjusted so that the blade is substantially parallel to the wind when it passes parallel to the main axis.
The turbines advantageously comprise several blades and the movement described is continuous and offset from one blade to the other. The offset ensures the continuity of the engine torque produced by the blades on the main shaft.
The major drawback of wind turbines with a transverse axis lies in the fact that the setting angle (angle made by the chord of the blade profile with the tangent to its path) is too great on certain parts of the path.
According to the invention, the wind turbine comprises a device which aims to remedy this drawback. This device forces the blade to oscillate around its longitudinal shaft so as to modify the setting angle.
The device consists of an axle fixed perpendicular to the longitudinal shaft.
The axle is provided with two wheels preferably located at equal distances from this shaft. The two wheels move on a cylindrical cam whose axis is parallel to the carrier shaft of the blade. This cam rotates integrally with the main shaft.
The difference in height of the cam at two symmetrical points with respect to its axis defines the correction of the setting angle.
This cam is profiled according to the desired timing settings which depend on the characteristics of the blades and the wind site. This cam can be easily machined and changed.
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An additional device makes it possible to tilt the cam so as to adapt all of the setting angles of the trajectory according to the speed of the wind turbine.
Other details and particularities of the invention will emerge from the secondary claim and from the description of the drawings which are annexed to the present specification and which illustrate, by way of non-limiting example, the device.
Figures la and lc are top views of two positions of a turbine with two coaxial secondary shafts and two blades.
Figures 1b and Id are front views of the same two positions of this turbine with two coaxial secondary shafts and two blades.
Figures le and If show the profiles of the blades for the position shown in Figures 1 c and Id.
Figures Ig and Ih describe the adjustment device with the mechanism which allows the cam to be tilted, for the same position as that of Figures 1c and Id.
FIGS. 2a and 2b represent projections of the trajectory of a point of a blade located at the distance "L" from the foot of the latter.
Figures 3 shows the position of the blade at five points on the trajectory.
FIG. 4 graphically shows the setting angle for a quarter of the trajectory and the zone in which the correction angle must be located.
Figure 5 shows the velocity diagrams for two exemplary points.
Figure 6 shows two cam profiles, and three positions for each profile.
In the different figures representing the same embodiment (Figures 1a to 1h) the same references designate identical elements.
The embodiments described below are not exhaustive, neither in the dimensions and the shape of the cam, the axles and the wheels, nor in the way in which the axle follows the shape of the cam, nor in the means which allow 'tilt the cam.
The device applies to all the blades of the various wind turbine embodiments with a transverse axis.
The exemplary embodiment chosen is represented by FIGS. 1a to 1h. In this embodiment the main shaft is horizontal. This turbine has two blades (110 and 111).
The longitudinal shafts (115 and 116) of the blades are each attached to a blade bearing shaft (117 and 118) and can pivot around their respective axes (108 and 109).
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The blade bearing shafts (117 and 118) are integral with the toothed wheels (120 and 121).
The “blade bearing shafts” (117 and 118) and toothed wheels (120 and 121) assemblies rotate around two coaxial shafts (101 and 102) at the same angular speed as that of the rotation of the main horizontal shaft (100 ). The toothed wheel (125) centered on the horizontal main shaft (100) but fixed in rotation relative to this shaft (100), has the same number of teeth as the toothed wheels (120 and 121).
This mechanism permanently positions the blade above the shaft (100) or substantially at the level of this shaft.
The toothed wheel (125) is integral with the cylinder (130). This cylinder must orient itself perpendicularly to the wind by turning around the vertical axis (105).
An oil pan (150) can hold the gears. It is integral with the main shaft and therefore rotates with it.
Figures la and lc are top views of two positions of this turbine. Figures 1b and Id are front views of the same two positions. For clarity, the front of the housing is open.
The wind for Figures 1b, Id, and 1h is oriented perpendicular to the plane of the drawing. The wind for figures la, Ic, le, If and lh is represented by the vector (Vw).
The mechanisms for transmitting engine torque, regulation, and wind orientation are not shown. The support is suggested by the bearing (140) rolling on the 20bloc (141) fixed to the ground.
This embodiment of a wind turbine with transverse axis comprises two blades and two identical adjustment devices. A timing adjustment device will be described after the analysis of the blade path and the speed diagrams.
Figures 2a and 2b describe the trajectory of a point on the longitudinal axis of the blade located at the distance (L) from the blade root. (D) represents the distance from the blade root to the main shaft.
Figure 2a shows the trajectory projected on a frontal plane perpendicular to the direction of the wind. Figure 2b shows the trajectory projected on a plane parallel to 30sol.
FIG. 3 shows the inclination of the blade on its trajectory and the setting angle without adjustment device in five positions chosen over a quarter of the trajectory.
FIG. 4 shows the curve of the effective setting of the blade without correction.
The other three quarters of the trajectory are substantially symmetrical in the first quarter respectively with respect to the axis (201), (202), and their crossing point (203).
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Figures 5a and 5b show the speed diagrams for two exemplary positions of the blade.
Tr is the tangent to the trajectory in the chosen position.
Vw is the vector representing the wind speed.
Vd is the vector representing the speed of the air on the blade considered to be fixed.
This vector is in the opposite direction to the speed of movement of the blade.
Vr is the vector representing the relative wind speed, resulting from the vectors Vw and Vd. U is the setting angle without correction. i is the angle of incidence, ie the angle between the chord of the blade and the "relative wind.
For aerodynamic blades and normal operating conditions, it is recommended that the angle of incidence be between 10 and 15 degrees.
By way of example, FIG. 5a shows an angle of incidence in the right direction. FIG. 5b shows a negative angle of incidence, the blade is braked in this part of the trajectory.
This shows the need to reduce the pitch angle (R), over almost the entire trajectory.
The choice of corrected wedging angles will result from the type of blade, its aerodynamic characteristics, its dimensions, and the optimal speed forecast.
In practice for the wind turbine with transverse axis, at normal operating speeds, the setting angles will have values between 5 and 15 degrees.
By way of example, FIG. 4 shows in hatched lines the zone in which the curve of the angles of correction of the setting can be inscribed. The profile of the cam can be deduced from this curve. The corrected setting angles are represented by the difference between the two curves.
With regard to starting and / or low speed wind regimes, the timing corrections must be lower or even zero. This problem can be solved by providing the adjustment device with a mechanism which allows the cam to take smaller inclinations and therefore to cause smaller timing corrections over the entire path of the blade.
FIG. 6 shows in (C2) a profile corresponding to a normal regime, in (C I) a simplified profile for a normal regime. The figure also shows in C'2 and C "2 profiles for starting or low speed wind regimes and in C'1 and C" 1 simplified profiles for these same regimes.
Figures la, Ib, Ig and Ih show the blade (110) in position (13) shown in the description of the trajectory.
Figure 1b shows the blade (111) in position (5).
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Figures lc to show the blade (110) in position (1).
Figures 1c and If show the blade (111) in position (9).
The device consists of an axle (161) integral with the transverse shaft of the blade (115). The axle is provided with two wheels (162 and 163) located at equal distances from the shaft (115). The two wheels (162 and 163) move on a cylindrical cam (165) whose axis is parallel to and very close to the carrier shaft of the blade (117). This cam (165) is integral with the casing (150) containing the toothed wheels (120,121, and 125). The casing (150) and therefore the cam (165) rotate integrally with the main shaft (100).
The difference in height of the cam at two symmetrical points with respect to its axis defines the correction of the setting angle.
This cam is profiled as a function of the desired modifications of the setting angle which depend on the characteristics of the blades and of the wind site. This cam can be easily machined and changed.
Figures Ig and lh show a timing adjustment device with a cam profiled along the curve C2 (see Figure 6), attached to two shafts (172 and 173) which can pivot in the bearings (174 and 175). The cam can therefore, by turning around the axis (171), take an inclination which is a function of the speed of the wind turbine.
The positioning of the cam can be achieved by various means such as: - a linear motor (181) actuated as a function of the speed of the wind turbine, or - a shaft (182) integral with the cam (165) provided with a wheel (183) which moves on another cam (184) coaxial with the cylinder (130). The cam can move parallel to the axis of the cylinder and is profiled so as to give the shaft (182) and therefore the cam (165) the desired inclination.
Industrial applications are those of all wind turbines, their goal is to produce electricity, heat, and / or movement. The movement can, among other things, be used for pumping water.
It should be understood that the invention is in no way limited to the embodiments described and that many modifications can be made to these without departing from the scope of the present claim.