CH706919A2 - Rotor de type Savonius à six pales. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un rotor de type Savonius à six pales qui est une éolienne verticale à traînée. Il peut capter le vent de toute direction et se mettre en rotation à de faibles vitesses de vent grâce à son couple élevé; ayant une vitesse de rotation lente, ce rotor est quasiment inaudible. De constitution simple, ne nécessitant pas de processus de fabrication compliqué et pouvant même être réalisé avec du matériel de récupération: il est idéal pour les pays en développement. L’optimisation du rotor selon l’invention réside dans la corrélation entre le nombres de pales, les facteurs géométriques et l’inertie. Un stator ayant quatre aubes directrices-coches enveloppant le dit rotor, pouvant améliorer significativement le rendement du rotor pour quatre directions de vent majeures, fait également partie de l’invention.

Description

Etat de la technique

[0001] Les éoliennes à axe vertical sont préférées à celles à axe horizontal dans les zones habitées; en effet, elles acceptent le vent venant de n’importe quelle direction et donc n’ont pas besoin de s’ adapter aux changements de direction du vent. De plus, leur faible vitesse de rotation garantit un niveau sonore très bas voire inaudible ainsi qu’une plus longue durée de vie.

[0002] Dans les zones habitées, beaucoup d’obstacles se trouvent sur le chemin du vent; ceci générant des turbulences et diminuant la vitesse moyenne du vent. En effet, l’écoulement moyen se dégrade et la turbulence augmente alors que la vitesse diminue. Ces turbulences peuvent se manifester sous forme de rafales, de tourbillons, de changements de direction. Les éoliennes à axe horizontal doivent toujours être orientées face au vent et toutes ces turbulences ont donc un effet particulièrement néfaste sur le rendement de l’installation. En effet, le temps de réponse du système face à un changement de direction est souvent trop long et l’éolienne ne peut capter efficacement le vent.

[0003] Les éoliennes à axe vertical se séparent en deux familles: les rotors à portance et les rotors à traînée. Les rotors à portance sont constitués de profils d’ailes positionnés à la verticale et à une certaine distance de l’axe de rotation (type Darrieus): voir fig. 1 .

[0004] Les rotors à traînée (type Savonius) bénéficient d’un avantage incontestable: la simplicité de leur design. Par contre, leur rendement est le plus faible. En effet, leur principe de fonctionnement est la différence de traînée entre les pales concaves et convexes: chaque pale étant un demi-tube cylindrique, la partie concave ayant un coefficient de traînée d’environ 2.3 et la partie convexe d’environ 1.2; quand l’air y passe, il exerce une force plus grande sur la partie concave que sur la partie convexe et s’ensuit donc un moment de force et une rotation. Le faible rendement est du à la force de traînée exercée sur la partie convexe de la pale tout au long de la rotation (voir fig. 4 ). Cette force vient en quelque sorte freiner le rotor. Optimiser le rotor de Savonius fut le point de départ des recherches de l’auteur pour aboutir au rotor de type Savonius à six pales.

Description détaillée de l’invention

[0005] La présente invention est en fait une solution au problème principal du rotor «classique» de Savonius. Le moment de force est certes élevé mais n’est pas constant au long de la rotation, il dépend de l’angle entre le rotor et le vent. En fonctionnement, cela se traduit par un faible rendement et une impulsion tous les 180 degrés pouvant aussi engendrer de la fatigue. Quand le rotor est à l’arrêt, il peut avoir de la peine à démarrer si le vent souffle depuis un angle défavorable: ceci est un problème fondamental. Il existe plusieurs méthodes pour résoudre ce problème: donner une forme hélicoïdale aux pales en les tordant longitudinalement, superposer des rotors Savonius les uns sur les autres mais avec un décalage angulaire, augmenter le nombre de pales (voir fig. 2 ). Ces modifications se font souvent au détriment du rendement même si elles uniformisent le moment de force. Cette perte de rendement est due à l’augmentation de l’inertie du rotor ainsi qu’à un écoulement non optimal de l’air dans le rotor. Ainsi, un travail difficile d’optimisation est nécessaire si l’on souhaite améliorer le rendement ainsi que d’avoir un moment de force relativement homogène avec l’angle du vent.

[0006] L’invention consiste alors en un rotor de type Savonius à six pales optimisé. La géométrie du rotor a été optimisée de telle sorte que le rotor ait un rendement supérieur au rotor classique de Savonius et qu’il ait un moment de force relativement constant tout au long de la rotation. Ce rotor est de constitution simple et bon marché. Il est idéal pour les pays en voie de développement. En effet, il peut être fabriqué avec du matériel de récupération et les opération d’usinage, de mise en forme et d’assemblage sont relativement simples.

[0007] L’objet de la présente demande de brevet est présenté par la fig. 3 .

[0008] Tous les facteurs géométriques influencent l’écoulement et donc le rendement. Cependant, l’optimisation réside principalement dans le ratio entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur (gap ou espace libre). Le rôle de ce diamètre intérieur (gap) est de permettre à l’air dans le rotor de ne pas rester prisonnier mais plutôt de passer de pale en pale ainsi augmentant la pression dynamique sur la partie concave de chaque pale et enfin augmentant le moment de force global généré. Ce diamètre intérieur (gap) a une valeur optimum liée au nombre de pales. La détermination de la valeur optimum peut se faire au moyen d’expériences sur des prototypes ou par des simulations. Ici, le rapport ou ratio a été défini à 0.35.

[0009] La forme des pales joue également un rôle crucial dans les propriétés aérodynamiques du rotor. Les pales choisies sont des demi-cercles inscrit dans le cercle du rotor et ensuite tronqués (voir fig. 7 ). Le ratio (rapport) entre le diamètre extérieur et la hauteur du rotor joue également un rôle sur le rendement. Dans le cas de ce prototype, un ratio de 2 a été utilisé. La hauteur fait donc deux fois le diamètre extérieur. La présente invention consiste en un rotor à six pales cylindriques tronquées avec un rapport (ratio) entre le diamètre intérieur et extérieur de 0.35.

[0010] La raison principale du faible rendement du rotor de Savonius est la force exercée au long de la rotation sur la partie convexe de la pale. La façon la plus directe d’augmenter le rendement est donc de cacher les parties convexes des pales derrière un bouclier. Mieux encore, de forcer l’air dans les parties concaves des pales. On emploierait donc des aubes fixes abritant les parties convexes et laissant apparaître les parties concaves. Ces aubes fixes constituent donc un stator (voir fig. 6 ) dirigeant l’air dans les parties concaves et empêchant l’air de frapper sur les parties convexes. Théoriquement, le rendement d’une telle installation augmente significativement.

[0011] D’après les résultats des simulations, les rendements maximum aérodynamiques (à vitesse de rotation optimale et ne tenant aucun compte de tout frottement mécanique) sont les suivants: – 0.2 pour le rotor «classique» de Savonius – environ 0.3 pour le rotor rotor à six pales présenté ici – environ 0.5 pour le rotor avec stator à angle de captage optimal.

[0012] L’inconvénient principal du stator est qu’il supprime l’indépendance de la direction de vent, en effet il dirige le vent dans les parties concaves pour certains angles privilégiés (ici 0, 90, 180 et 270) cependant, les autres angles ne constituent pas des conditions d»entrées optimales pour l’air dans le rotor et le rendement diminue donc. Ainsi, le rendement et la mise en rotation du rotor sont tous deux dépendants de la direction du vent incident.

[0013] Le stator doit être fixe et donc indépendant du rotor, il est fixé depuis la base supportant le rotor. Un espace doit être laissé entre le stator et le rotor pour éviter que les pales viennent toucher le stator en cas d’oscillations dans le plan vertical.

[0014] Le principe de fonctionnement est illustré en fig. 4 ; la description reste très générale et accessible, l’auteur a intentionnellement fait abstraction des notions de mécaniques des fluides nécessaires au développement du rotor.

[0015] C’est la différence de traînée entre les pales concaves et convexes qui crée le moment de force menant à la rotation. La traînée est la composante opposée au déplacement de la force qu’un corps subit quand il se déplace dans un écoulement; elle est une composante de la somme des pressions sur la surface de référence et est fonction de la géométrie. Une géométrie différente induit un écoulement différent et donc des pressions différentes. En rappelant qu’un corps convexe se déplace avec moins de résistance qu’un corps concave; ainsi, le vent soufflant en même temps sur les parties concaves et convexes exercera une plus grande pression sur les surfaces concaves. Ce qui rompt l’équilibre statique et il y’ a alors rotation.

[0016] La fig. 5 montre une simulation de l’écoulement dans le rotor: L’air dans le rotor se distribue sur les parties concaves des pales pour en augmenter la pression et donc le moment de force global (grâce au gap, quatre pales contribuent à la rotation). Le stator empêche l’air de frapper les parties convexes et donc la pression sur celles-ci diminue; l’air doit contourner les aubes directrices. L’air est forcé dans les parties concaves ce qui augmente aussi localement la pression.

Réalisation de l’invention

[0017] Les dessins 3D ayant servi à produire les plans pour la fabrication sont présentés dans la fig. 6 . Les plans peuvent être réalisés aisément avec un logiciel de CAD et les fig. 7a , 7b , 7c .

[0018] Traçage des pales (selon fig. 7 ): Avant de lire les lignes suivantes, il est mieux d’avoir sous les yeux les fig. 7a , 7b et 7c .

[0019] Définir le diamètre du rotor (deux prototypes réalisés à 0.5 m et 1 m de diamètre). Tracer 6 cercles de diamètre égal au rayon du rotor avec un angle de 60 degrés entre chaque centre. Les centres des six cercles sont placés sur un cercle de diamètre égal au rayon du rotor. Ainsi, les cercles sont parfaitement inscrits dans le cercle du rotor, ils lui sont tangents. Ensuite, pour chacun des six cercles, ne garder qu’une moitié. Tracer le cercle représentant le diamètre intérieur (0.35m pour le rotor d’1m de diamètre et 0.175m pour le rotor de 0.5m de diamètre). Ce cercle a le même centre que le cercle représentant le rotor (origine). Enfin, enlever la partie des demi-cercles comprise à l’intérieur du cercle représentant le diamètre intérieur (tronquer les pales pour créer le gap).

[0020] Avant de décrire la fabrication, il est important de rappeler qu’il faut minimiser l’inertie du rotor afin qu’il puisse se mettre en rotation sous de faibles vent. Pour ceci, il faut choisir des matériaux légers. Il est également important de rappeler que le rotor est placé en hauteur et que sa surface perpendiculaire au vent subit une force nette dans le sens du vent: il se crée donc un important moment de force par rapport au sol. Il va de soi qu’il faut suffisamment lester ou arrimer la structure supportant le rotor. Lorsque le générateur à aimant permanent est connecté, il se crée un couple magnétique résistif que le rotor doit vaincre pour pouvoir se mettre en rotation et produire de l’électricité. C’est précisément ce couple résistif qui se répercute sur la structure supportant le générateur en tant que moment de torsion. Encore une fois, la structure soutenant le rotor doit permettre de résister au basculement et à la torsion. Pour la structure, on choisira des matériaux rigides et plus lourds.

[0021] Etapes de la fabrication du rotor: 1) Plaque inférieure supportant les pales: Un disque au diamètre du rotor doit être découpé, les demi-cercles inscrits représentants les pales doivent être tracés fidèlement sur la plaque inférieure. Il faut effectuer les perçages nécessaires au centre du cercle pour la connexion au générateur ou à un arbre. 2) Réalisation des pales: Les pales peuvent être réalisées à partir de tôles d’aluminium pliées en demi-cercles. Il faut donc les couper à la longueur de l’arc de cercle (tracé précédemment) et les plier en respectant le rayon de courbure. La largeur des tôles est égale à la longueur de l’arc de cercle et leur hauteur détermine la hauteur du rotor. Quant à l’épaisseur, elle dépend du matériau choisi et de la méthode de fixation sur le disque. Dans le cas de l’aluminium, l’auteur a choisi 2mm d’épaisseur. 3) Fixations des pales: Les pales sont placées sur les traçages correspondants sur le disque (ou plaque inférieure) puis elles peuvent être soudées par points. Il faut veiller à ne pas déformer les pales lors du soudage. Quelques points sont suffisants, il n’est pas nécessaire de faire tout un cordon de soudure. Avec des matériaux ne se prêtant point au soudage, il est possible de percer puis visser depuis dessous (cependant il faudra une plus grand épaisseur de pale). 4) Fixation au disque supérieur (plaque supérieure): L’ensemble disque inférieur plus pales est retourné (mis à l’envers) et maintenu suspendu au-dessus du disque supérieur de même dimension et tracé de la même façon que le disque inférieur. Une fois les pales placées correctement par rapport au disque et au traçage, elles sont mises en contact avec le disque puis soudées de la même manière que précédemment.

[0022] Concept du stator (selon fig. 8 ): Le stator est constitué de quatre aubes directrices-caches. Par cache on entend la partie incurvée enveloppant le rotor et par aube directrice la partie rectiligne inclinée focalisant l’écoulement. Les quatre ensembles sont disposés uniformément tous les 90° donnant ainsi quatre directions préférentielles de vent (0°, 90°, 180°, 270°). Lorsque le vent souffle depuis une direction préférentielle, le rendement de la turbine augmente du à la forte diminution de la pression sur les parties convexes des aubes. La pression exercée sur les aubes directries-caches peut être considérable en cas de fort vent; il est évident qu’il faudra employer des matériaux rigides et robustes. N’étant pas des pièces mobiles, leur inertie n’a pas besoin d’être minimisée (des matériaux plus lourds peuvent être choisis).

Liste des figures

[0023] <tb>fig. 1 :<SEP>Turbines de type Darrieus à gauche et rotor classique Savonius au centre et principe de fonctionnement à droite (provient de recherches bibliographiques). <tb>fig. 2 :<SEP>Rotor Savonius à forme hélicoïdale et rotors de Savonius superposés avec décalage angulaire (provient de recherches bibliographiques). <tb>fig. 3 :<SEP>Rotor de type Savonius à six pales (objet de la présente demande de brevet) deuxième prototype réalisé (2 m de hauteur et 1 m de diamètre); complètement opérationnel, ici monté sur un générateur et une structure en bois dans le jardin de l’auteur à Hermance. <tb>fig. 4 :<SEP>Principe de fonctionnement du rotor Savonius à six pales. <tb>fig. 5a , 5b :<SEP>Résultats des simulations de l’écoulement autour du rotor seul et avec stator (les chiffres représentent les vitesses en m/s). <tb>fig. 6 :<SEP>Modèle 3D (CAD) du rotor seul vu en coupe; du rotor monté sur un générateur à aimant permanent; du rotor monté avec le stator, le générateur et la base. <tb>fig. 7a , 7b , 7c :<SEP>trois étapes du traçage de la géométrie du rotor (pales et gap) (première revendication). <tb>fig. 8 :<SEP>Stator enveloppant le rotor (objet de la deuxième revendication). <tb>fig. 9 :<SEP>Modèle 3D du rotor et premier prototype réalisé (figure pour l’abrégé). <tb>fig. 10 :<SEP>Dessin de fabrication du deuxième prototype (installé dans le jardin de l’auteur).

Claims (2)

1. La première revendication est surtout concentrée sur le traçage des pales (géométrie 2D du rotor) et la deuxième sur le concept de stator pour ce rotor particulier. Les différents rapports géométriques optimaux du stator n’ont toutefois pas été décrits. Rotor de type Savonius à six pales, caractérisé par six pales faites à partir de six cercles inscrits dans un disque et rapport géométrique entre le diamètre intérieur (espace libre) et le diamètre extérieur (diamètre du disque). (fig. 7a , 7b , 7c ).

2. Concept du stator (fig. 8 ) tel qu’il est prévu pour la géométrie du rotor de type Savonius à six pales (revendication 1), caractérisé par quatre aubes directrices-caches enveloppant le dit rotor.