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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.