EP2646680A1 - Hydrolienne à flux transverse à faible trainée - Google Patents

Hydrolienne à flux transverse à faible trainée

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Publication number
EP2646680A1
EP2646680A1 EP11799786.6A EP11799786A EP2646680A1 EP 2646680 A1 EP2646680 A1 EP 2646680A1 EP 11799786 A EP11799786 A EP 11799786A EP 2646680 A1 EP2646680 A1 EP 2646680A1
Authority
EP
European Patent Office
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arm
blade
leading edge
profile
junction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11799786.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Luc Achard
Ervin Amet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydroquest
Electricite de France SA
Original Assignee
Hydroquest
Electricite de France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Hydroquest, Electricite de France SA filed Critical Hydroquest
Publication of EP2646680A1 publication Critical patent/EP2646680A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/26—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy
    • F03B13/264—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy using the horizontal flow of water resulting from tide movement
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    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F03B17/063—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having no movement relative to the rotor during its rotation
    • 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
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    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
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    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D3/064—Fixing wind engaging parts to rest of rotor
    • 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
    • F05B2240/00—Components
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    • F05B2240/301—Cross-section characteristics
    • 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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a hydraulic turbomachine, or tidal turbine, with transverse flow.
  • the described TFTMPs comprise blades in the form of free-flying V-shaped wings with an arrow that can vary between 0 ° and 45 ° and whose section perpendicular to the axis of rotation has the shape of any wing profile (biconvex symmetrical or asymmetrical, hollow, or double curvature).
  • Each blade is connected at its central portion to the drive shaft by a single rigid arm itself profiled.
  • FIG. 1A is a perspective view of an example of a turbine of the type described in the aforementioned patent applications.
  • This turbine comprises blades la, lb, the form of free-flying V-shaped wings whose boom can vary between 0 ° and 45 ° and whose section perpendicular to the axis of rotation has the shape of a profile any wing (biconvex symmetrical or asymmetrical, hollow, or double curvature).
  • These blades are connected at their central portion to a hub 3 secured to a drive shaft not shown by rigid arms 5a, 5b, 5c.
  • Each arm is contoured so as to reduce the drag forces exerted thereon.
  • the height of each blade is equal to H, the diameter of the circle of revolution of the blades being equal to this value H.
  • FIG. 1B is an enlarged perspective view of the arm-blade connection in which:
  • FIGS. 2A, 2B, and 2C are perspective views of three examples of turbomachines using turbines of the type of those of FIGS. 1A-1B.
  • FIG. 2A represents a single column tower consisting of a stack of turbine stages 6 and an electrical stage 7.
  • FIG. 2B represents a single column tower consisting of a stack of turbine stages 6 and an electric stage 7, with fairing.
  • Figure 2C shows a tower with twin columns consisting of a stack of turbine stages and an electric stage, with fairing.
  • TFTMPs are also known.
  • the various types of TFTMP are distinguished mainly by the shape of the blades, their number per turbine and the nature and number of links connecting each blade to the axis of rotation. In most cases, the blades are connected to the axis by two or even three arms.
  • the lift forces that develop on each blade are at the origin of a motor torque that is transmitted to the shaft via the arm or arms.
  • drag forces brake the blades.
  • the increase in the performance of TFTMP turbines passes on the one hand by a search for the increase of the lift forces on the blades, by changing the nature of the profiles and the optimization, or even the servocontrol, of for example, their stall angle and the reduction of drag forces on the blades and the shaft connection elements.
  • the reduction of the latter in addition to the drag forces on elements that do not participate in the engine torque (shaft, hub, hardware) allows to relieve the foundation system of the turbomachine as a whole.
  • the drag forces on a TFTMP blade can be broken down into several categories, including the so-called interference drag, which manifests itself at the arm / blade junction.
  • an object of the present invention embodiments is to solve at least some of the problems RESUL ⁇ as earlier structures turbomachinery transverse flux turbines column.
  • Another object of embodiments of the present invention is to provide a turbomachine with improved efficiency.
  • the present invention provides various improvements of the arm / blade junctions of a transverse flow turbine driven by lift forces (TFTMP).
  • an embodiment of the present invention provides a transverse flow hydraulic turbine driven by lift forces exerted on the blades, comprising a drive shaft and drive blades distributed around the drive shaft, each driving blade being connected to the drive shaft by at least one arm, wherein the leading edge of each arm has a symmetrical hydrodynamic profile whose maximum thickness is located towards the rear of the profile, at a distance by ratio to the leading edge varying between 40% and 80% of the length of the rope of this profile; the trailing edge of the arm on the inner face of the associated blade is at the trailing edge of the blade or is retracted relative thereto; and a connection fillet is provided at each arm / blade junction over the entire periphery of the foot of the arm, the radius of this fillet being between ⁇ to 10 ⁇ , ⁇ being the thickness of the incident boundary layer.
  • the birth of the leading edge of the arm on the inner face of the associated blade is moved back, with respect to the leading edge of said blade, by a distance equal to 30 to 50 % of the length of the blade rope at the blade / arm junction.
  • the birth of the leading edge of the arm on the inner face of the associated blade is provided with an extension of the leading edge of the arm in the upstream zone joining the blade; this extension, of substantially triangular shape, starting from the leading edge of the blade root to gradually reach the leading edge of the arm, the length of the extension on the leading edge of the arm being of the order of half of the recoil distance.
  • each arm whose rope is substantially constant, has a curved shape such that the line of the leading edge is concave and the line of the convex trailing edge.
  • the angle formed by the rope of the blade at the blade / arm junction and the leading edge of the arm is between 30 ° and 80 °.
  • the trailing edge of the arm is moved back so that the maximum thickness of the arm substantially coincides with the trailing edge of the blade.
  • the outer faces of the blades are dug at the blade / arm junction so as to define a recess.
  • the lines of the leading edge of each blade half located on either side of the arm converge progressively tangentially towards the line of the leading edge of the arm, the profiles of these two halves merging with the arm profile by adopting one, the half-high profile and the other, the half-low profile of the arm.
  • each blade is connected to the shaft by a single arm and has on either side of this arm a flying wing shape in an arrow, right, or inverted arrow.
  • FIG. 1A is a perspective view of an exemplary conventional embodiment of a wing turbine in the form of a flying wing;
  • Figure 1B previously described, is an enlarged view of the arm-blade junction of the turbine of Figure 1A;
  • FIGS. 2A, 2B and 2C are perspective views of three examples of turbomachines
  • Fig. 3A is a perspective view of a turbine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3B is a sectional view of the hydrodynamic profile of an arm of the turbine of Figure 3A;
  • Figure 3C is a top view of the arm-blade junction of the turbine of Figure 3A;
  • FIGS. 4A and 4B are perspective views respectively of a turbine according to the invention and of the arm-blade junction of this turbine;
  • Figure 4C is a top view of the arm-blade junction of the turbine of Figures 4A and 4B;
  • FIGS. 5A and 5B are respectively perspective views of a turbine according to an embodiment of the present invention and of the arm-blade junction of this turbine;
  • FIGS. 6A and 6B are front views of a blade surmounting the arm to which it is connected according to two variant embodiments;
  • FIGS. 7A and 7B are perspective views of a turbine according to an embodiment of the present invention and of the arm-blade junction of this turbine;
  • Figure 8 is a perspective view of a turbine according to an embodiment of the present invention. detailed description
  • FIG. 1A The present description is made in connection with turbines of the type illustrated in FIG. 1A. It applies to the three types of turbomachines illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C, and more particularly to fairing turbine engines. It also applies to variants of these turbines, including variants in which the blades have different shapes and variants in which the blades are connected to the axis by several arms.
  • the inventors have studied the operation of these turbines and have discovered that, contrary to an established prejudice, it is possible to significantly improve, that is to say from 10 to 20%, their efficiency, essentially by optimizing the armature junctions. blade.
  • Fig. 3A is a perspective view of a turbine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3B is a sectional view of the hydrodynamic profile of the arm.
  • Figure 3C is a top view of the arm-blade junction.
  • This turbine comprises vanes 11a, 11b, 11c in the form of free-flying V-shaped wings with an arrow that can vary between 0 ° and 45 ° and whose section perpendicular to the axis of rotation has the shape of a profile.
  • any wing biconvex symmetrical or asymmetrical, hollow, or double curvature.
  • each arm 15 has a profile whose maximum thickness is rejected towards the rear of the profile. More particularly, if the chord of this profile is designated, the region of maximum thickness, e, of the arm is at a distance b from the leading edge 16 of the arm of between 40% and 80% of the value of the rope of this arm.
  • This profile called NACA (series 6), aims to retreat as much as possible downstream the transition point towards the turbulence that appears when the favorable pressure gradient is completed. (such as the pressure decreases downstream).
  • a profile called Natural-Laminar-Flow could also be and advantageously chosen. It will be observed that the trailing edge 18 of the arm 15 on the inner face of the associated blade is close to the trailing edge of the blade so that the inevitable destabilization of the boundary layer on the arm interferes as little as possible with the same phenomenon. occurring anyway facing the blade.
  • a fillet 17 is provided at the connection between the foot of each arm and the blade that this arm joins over the entire periphery of this foot so as to limit the interactions between boundary layers developing facing the blade and the arm, especially when at least one of the two is subjected to an adverse pressure gradient (such as the pressure increases downstream).
  • the radius of the fillet is ⁇ at 10 ⁇ , ⁇ being the thickness of the boundary layer inci ⁇ dente. Note that this value ⁇ is perfectly determinable by those skilled in the art knowing the maximum flow of fluid in which the turbine must be immersed. This value corresponds to the thickness, which would be the largest of the boundary layer undisturbed by the turbine. The boundary layer, supposedly turbulent, continues to grow, from the front face of the turbine which corresponds approximately to the leading edge of the blade. This maximum value is therefore on the rear face of the turbine. It is expressed as follows:
  • Re DU / v
  • U the speed of the incident current
  • v the kinematic viscosity of the fluid
  • FIGS. 4A and 4B are perspective views respectively of a turbine variant according to an embodiment of the invention and of the arm-blade junction of this turbine, and FIG. 4C is a top view of the arm junction. -pale of the turbine of Figures 4A and 4B.
  • curved arms starting radially from the hub and then bending towards the front (in the direction of rotation of the turbine). As best shown in FIG. 4C, the arm connects at an angle ⁇ between 30 ° and 80 ° with the general plane of the blade.
  • the arm / blade junction is modified with respect to the embodiment of FIGS. 3A and 3C. More particularly, as best seen in FIGS. 4A and 4B, the leading edge 26 of each arm 25 is set back from the leading edge 27 of each blade 21. If the connection between the leading edge of the arm and the blade is too steep, the portion of the boundary layer on the blade upstream of the arm tends to take off and to initiate, during the impact on the arm, a recirculation zone with one or more transverse vortices called stop. Note that this second characteristic (withdrawal of the leading edge of each arm 25 relative to the leading edge 27 of the corresponding blade and prediction of an extension 28) applies as well in the case of straight arms as in the case of curved arms.
  • This arm is further modified with respect to the previous embodiments in that the trailing edge of the arm curves upstream so that the chord of the arm is reduced to a value prescribed by the structural calculations.
  • Such an embodiment is particularly suitable for TFTMPs conventional blades with two or three arms that can thus have smaller sections.
  • Figures 5A and 5B show a turbine and a detail of the arm-blade connection.
  • the features are generally similar to those illustrated in FIGS. 4A, 4B but, in addition, the trailing edge 40 of each arm 25 is moved back relative to the trailing edge 41 of each blade 21 so that the maximum thickness of the arm substantially coincides with the trailing edge of the blade.
  • a favorable pressure gradient develops on the part of the arm facing the blade.
  • FIGS. 6A and 6B show front views of a blade 31 surmounting an arm 35 connected to a hub 3.
  • the corresponding perspective views are those of FIGS. 3A, 4A or 5A.
  • Figure 6A shows a straight blade, having an arrow of 0 ° and Figure 6B a V-blade with an arrow of the order of 30 °.
  • the outer face 60 in Figure 6A and 61 in Figure 6B of the blade to the right of the arm has a recess.
  • Significant filleting times up to 1/5 of the height H / 2 of the half-blade are provided in this embodiment
  • An unfavorable consequence of the existence of these important connection fades is to make the connection massive. This increases the master torque with respect to the incident flow and thus the drag.
  • the prediction of the recess 60, 61 makes it possible to avoid this disadvantage and to limit this increase in the master torque.
  • FIGS. 7A and 7B are perspective views of a blade and the arm / blade connection of a turbine having certain characteristics of the turbine shown in FIG. 4A, namely curved arms, the leading edge 26 of each arm 25 being set back from the leading edge 27 of each blade 21.
  • the arm-blade connection is however different.
  • the lines of the leading edge of each blade half located on either side of the arm and the line of the leading edge of the arm are not related (do not meet).
  • the lines of the trailing edge of each blade half located on either side of the arm and the line of the leading edge of the arm are related but have a break at the junction.
  • each blade half located on either side of the arm merges with the arm profile by gradually adopting one, the half-high profile and the other, the lower half-profile of the arm.
  • the lines of the leading edge and trailing edge of each blade half located on either side of the arm converge progressively tangentially towards the line of the leading edge and trailing edge of the arm, respectively.
  • the rope of the profile of each half-blade decreases and its thickness increases as one approaches the junction arm-arm. This results in the presence of a notch 63 opposite the arm-blade connection.
  • Figure 8 is a perspective view of a turbine having all the features of the various embodiments of the present invention. Each blade also adopts on both sides of the arm a flying wing shape inverted V, that is to say whose arrow can vary between -45 ° and 0 °.
  • the curved arms have some of the inverted features of the arm of Figure 4A.
  • turbomachines operating in liquid streams
  • present invention can be adapted to turbomachines operating in gas streams (wind turbines).

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Abstract

L'invention concerne une turbine hydraulique à flux transverse, comprenant un arbre d'entraînement et des pales motrices reliées à l'arbre d'entraînement (3) par au moins un bras (15), dans laquelle : le bord d'attaque (16) de chaque bras (15) a un profil hydrodynamique symétrique dont l'épaisseur maximale (e) est située vers l'arrière du profil, à une distance (b) par rapport au bord d'attaque variant entre 40% et 80 % de la longueur (a) de la corde de ce profil; le bord de fuite du bras sur la face interne de la pale associée est au niveau du bord de fuite de la pale (11) ou en arrière; et un congé de raccordement (17) est prévu au niveau de chaque jonction bras/pale sur toute la périphérie du pied du bras, le rayon de ce congé étant compris entre d à 10d, d étant l'épaisseur de la couche limite incidente.

Description

HYDROLIENNE A FLUX TRANSVERSE A FAIBLE TRAINEE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne une turbomachine hydraulique, ou hydrolienne, à flux transverse.
Exposé de 1 ' art antérieur
La demanderesse a déposé un ensemble de demandes de brevet sur des turbomachines hydrauliques fondées sur des turbines à flux transverse mues par des forces de portance, dites TFTMP ci-après. Parmi ces demandes de brevet, on peut mentionner les demandes de brevet français 04/50209, 05/50420 (B6869) et 07/58511 (B8450) , qui seront considérées ici comme connues et faisant partie intégrante de la présente description Ces demandes de brevet décrivent des turbomachines constituées d'au moins une colonne de turbines superposées solidaires d'un arbre d'entraînement commun ou propre à chaque turbine. L'arbre d'entraînement transmet le mouvement de rotation soit à une génératrice unique associée à chaque colonne, soit à une génératrice associée à chaque turbine. Dans ces demandes de brevet, les TFTMP décrites comprennent des pales en forme d'ailes volantes en V à extrémité libre dont la flèche peut varier entre 0° et 45° et dont la section perpendiculaire à l'axe de rotation a la forme d'un profil d'aile quelconque (biconvexe symétrique ou dissymétrique, creux, ou à double courbure) . Chaque pale est reliée au niveau de sa portion centrale à l'arbre d'entraînement par un seul bras rigide lui- même profilé.
La figure 1A est une vue en perspective d'un exemple d'une turbine du type décrit dans les demandes de brevets susmentionnées. Cette turbine comprend des pales la, lb, le en forme d'ailes volantes en V à extrémité libre dont la flèche peut varier entre 0° et 45° et dont la section perpendiculaire à l'axe de rotation a la forme d'un profil d'aile quelconque (biconvexe symétrique ou dissymétrique, creux, ou à double courbure) . Ces pales sont reliées au niveau de leur portion centrale à un moyeu 3 solidaire d'un arbre d'entraînement non représenté par des bras rigides 5a, 5b, 5c. Chaque bras est profilé de façon à réduire les forces de traînée qui s'y exercent. La hauteur de chaque pale est égale à H, le diamètre du cercle de révolution des pales étant égal à cette valeur H.
La figure 1B est une vue en perspective agrandie de la liaison bras-pale dans laquelle :
- il n'y a pas de carénage de raccordement à la jonction bras- pale ;
- le profil du bras est symétrique et celui de la pale est projeté sur le cercle de révolution ;
- ces profils ont des positions classiques et analogues, le point d'épaisseur maximale étant généralement placé vers le tiers avant ;
- les bords d' attaque et de fuite de chaque pale et ceux du bras correspondant coïncident.
Les figures 2A, 2B, et 2C sont des vues en perspective de trois exemples de turbomachines utilisant des turbines du type de celles des figures 1A-1B. La figure 2A représente une tour à colonne unique constituée d'un empilement d'étages de turbine 6 et d'un étage électrique 7. La figure 2B représente une tour à colonne unique constituée d'un empilement d'étages de turbine 6 et d'un étage électrique 7, avec carénage. La figure 2C représente une tour à colonnes jumelles constituée d'un empilement d'étages de turbine et d'un étage électrique, avec carénage .
D'autres types de TFTMP sont également connus. Les divers types de TFTMP se distinguent principalement, par la forme des pales, leur nombre par turbine ainsi que par la nature et le nombre des liaisons reliant chaque pale à l'axe de rotation. Dans la plupart des cas, les pales sont reliées à l'axe par deux, voire trois, bras. Ainsi les publications (i) "Dynamic Behaviour of the Patented Kobold Tidal Current Turbine: Numerical and Expérimental Aspects" de D. Coiro et al (Acta Polytechnica, Czech Technical University in Prague, Vol. 45, 2005) , (ii) "An Expérimental Study of the Characteristics of a Darrieus Turbine for Tidal Power Génération" de M. Shiono et al, 2000, Electrical Engineering in Japan, Vol. 132(3), pages 38- 47), et (iii) le brevet US2008/256795 décrivent des turbines à trois pales et deux bras par pales, les pales étant droites. De même la publication "Development of a hydraulic control mechanism for cyclic pitch marine current turbines" de A. Schônborn et al (Renewable Energy, Vol. 32, 2007, pages 662- 679.) et le site accessible en ligne de New Energy Corporation Inc. (www.newenergycorp.ca) présentent des turbines à quatre pales et deux bras par pales comportant donc huit bras.
Dans toutes les TFTMP, les forces de portance qui se développent sur chaque pale sont à l'origine d'un couple moteur qui se transmet à l'arbre par l'intermédiaire du ou des bras. En revanche, les forces de traînée freinent les pales. De façon générale, l'accroissement des performances des turbines TFTMP passe d'une part par une recherche de l'augmentation des forces de portance sur les pales, en jouant sur la nature des profils et l'optimisation, voire l'asservissement, de leur angle de calage par exemple et d' autre part par la réduction des forces de traînée sur les pales et les éléments de liaison à l'arbre. De surcroît, la réduction de ces dernières auxquelles s'ajoutent les forces de traînée sur des éléments qui ne participent pas au couple moteur (arbre, moyeu, éléments de visserie) permet de soulager le système de fondation de la turbomachine dans son ensemble .
Globalement, on peut décomposer les forces de traînée sur une pale d'une TFTMP en plusieurs catégories parmi lesquelles la traînée, dite d'interférence, qui se manifeste à la jonction bras/pales.
Résumé
L'importance de la traînée d'interférence dans les TFTMP, qui est indépendante des autres types de traînées (régulière, ou de bout de pale) est restée largement ignorée jusqu'à présent. En effet la problématique de la liaison pales/arbre a seulement été dictée par des considérations structurelles : maintien, déformation, vibration, fatigue... Ainsi la conception de la jonction bras/pales est apparue comme un simple sous-produit de cette problématique dans laquelle les considérations hydrodynamiques furent absentes.
Les inventeurs ont analysé en détail le fonctionnement de ces turbomachines et ont découvert que, contrairement à un préjugé établi, on pouvait améliorer leur rendement de façon importante, c'est-à-dire de 10 à 20 %, essentiellement en optimisant les jonctions bras-pale.
Cette situation prévaut pour toutes les classes de TFTMP évoquées ci-dessus. Lorsque le nombre de bras et donc le nombre de jonctions bras/pales est faible, les dimensions de la jonction sont importantes et la traînée d'interférence doit être prise en compte pour chaque pale. A l'inverse les dimensions de la jonction d'une TFTMP avec de nombreux bras sont faibles, mais alors chaque traînée qui semble pouvoir être négligée au niveau d'une jonction, retrouve cependant de l'importance car elle est multipliée par le nombre plus élevé de jonctions.
Il apparaît donc souhaitable d'améliorer les caractéristiques géométriques des jonctions bras/pales pour réduire la traînée d' interférence et inhiber les structures tourbillonnaires tridimensionnelles dissipatives à l'origine d'un surcroît local de traînée. Ainsi, un objet de modes de réalisation de la présente invention est de résoudre au moins certains des problèmes résul¬ tant des structures antérieures de turbomachines à flux transverse à colonne de turbines .
Un autre objet de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir une turbomachine à rendement amélioré.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit diverses améliorations des jonctions bras/pales d'une turbine à flux transverse mue par des forces de portance (TFTMP) .
Plus particulièrement, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une turbine hydraulique à flux transverse mue par des forces de portance exercées sur les pales, comprenant un arbre d'entraînement et des pales motrices réparties autour de l'arbre d'entraînement, chaque pale motrice étant reliée à l'arbre d'entraînement par au moins un bras, dans laquelle le bord d'attaque de chaque bras a un profil hydrodynamique symétrique dont l'épaisseur maximale est située vers l'arrière du profil, à une distance par rapport au bord d'attaque variant entre 40% et 80 % de la longueur de la corde de ce profil ; le bord de fuite du bras sur la face interne de la pale associée est au niveau du bord de fuite de la pale ou est reculé par rapport à celui-ci ; et un congé de raccordement est prévu au niveau de chaque jonction bras/pale sur toute la périphérie du pied du bras, le rayon de ce congé de raccordement étant compris entre δ à 10δ, δ étant l'épaisseur de la couche limite incidente.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la naissance du bord d'attaque du bras sur la face interne de la pale associée est reculée, par rapport au bord d'attaque de ladite pale, d'une distance égale à 30 à 50 % de la longueur de la corde de la pale au niveau de la jonction pale/bras.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la naissance du bord d'attaque du bras sur la face interne de la pale associée est munie d'une extension du bord d'attaque du bras dans la zone amont de jonction avec la pale ; cette extension, de forme sensiblement triangulaire, démarrant du bord d'attaque du pied de la pale pour rejoindre progressivement le bord d'attaque du bras, la longueur de l'extension sur le bord d'attaque du bras étant de l'ordre de la moitié de la distance de recul .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque bras, dont la corde est sensiblement constante, a une forme courbe de telle sorte que la ligne du bord d' attaque est concave et la ligne du bord de fuite convexe.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'angle formé par la corde de la pale au niveau de la jonction pale/bras et le bord d'attaque du bras est compris entre 30° et 80°.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le bord de fuite du bras est reculé afin que l'épaisseur maximale du bras coïncide sensiblement avec le bord de fuite de la pale.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, quand le rayon du congé de raccordement est voisin de sa valeur maximale (10δ) , les faces externes des pales sont creusées au niveau de la jonction pale/bras de façon à définir un évidement.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les lignes du bord d'attaque de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras viennent progressivement converger tangentiellement vers la ligne du bord d'attaque du bras, les profils de ces deux moitiés fusionnant avec le profil de bras en adoptant l'un, le demi-profil haut et l'autre, le demi-profil bas du bras .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque pale est reliée à l'arbre par un bras unique et a de part et d'autre de ce bras une forme d'aile volante en flèche, droite, ou en flèche inversée. Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1A, décrite précédemment, est une vue en perspective d'un exemple de réalisation classique d'une turbine à pales en forme d'aile volante ;
la figure 1B, décrite précédemment, est une vue agran- die de la jonction bras-pale de la turbine de la figure 1A ;
les figures 2A, 2B et 2C, susmentionnées, sont des vues en perspective de trois exemples de turbomachines ;
la figure 3A est une vue en perspective d'une turbine selon un mode de réalisation de la présente invention ;
la figure 3B est une coupe du profil hydrodynamique d'un bras de la turbine de la figure 3A ;
la figure 3C est une vue de dessus de la jonction bras-pale de la turbine de la figure 3A ;
les figures 4A et 4B sont des vues en perspective respectivement d'une turbine selon l'invention et de la jonction bras-pale de cette turbine ;
la figure 4C est une vue de dessus de la jonction bras-pale de la turbine des figures 4A et 4B ;
les figures 5A et 5B sont respectivement des vues en perspective d'une turbine selon un mode de réalisation de la présente invention et de la jonction bras-pale de cette turbine ;
les figures 6A et 6B sont des vues de face d'une pale surmontant le bras auquel elle est reliée selon deux variantes de réalisation ;
les figures 7A et 7B sont des vues en perspective d'une turbine selon un mode de réalisation de la présente invention et de la jonction bras-pale de cette turbine ; et
la figure 8 est une vue en perspective d'une turbine selon un mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée
La présente description est faite en relation avec des turbines du type illustré en figure 1A. Elle s'applique aux trois types de turbomachines illustrés en figures 2A, 2B, et 2C, et plus particulièrement aux turbomachines à carénage. Elle s'applique aussi à des variantes de ces turbines, notamment à des variantes dans lesquelles les pales ont des formes différentes et à des variantes dans lesquelles les pales sont reliées à l'axe par plusieurs bras.
Les inventeurs ont étudié le fonctionnement de ces turbines et ont découvert que, contrairement à un préjugé établi, on pouvait améliorer de façon importante, c'est-à-dire de 10 à 20 %, leur rendement, essentiellement en optimisant les jonctions bras-pale.
La figure 3A est une vue en perspective d'une turbine selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3B est une coupe du profil hydrodynamique du bras. La figure 3C est une vue de dessus de la jonction bras-pale.
Cette turbine comprend des pales lia, 11b, 11c en forme d'ailes volantes en V à extrémité libre dont la flèche peut varier entre 0° et 45° et dont la section perpendiculaire à l'axe de rotation a la forme d'un profil d'aile quelconque (biconvexe symétrique ou dissymétrique, creux, ou à double courbure) . Ces pales sont reliées au niveau de leur portion centrale à un moyeu 3 solidaire d'un arbre d'entraînement non représenté par des bras rigides 15a, 15b, 15c.
Comme le représente la vue en coupe de la figure 3B, chaque bras 15 a un profil dont l'épaisseur maximale est rejetée vers l'arrière du profil. Plus particulièrement, si on désigne par a la corde de ce profil, la région d'épaisseur maximale, e, du bras est à une distance b du bord d'attaque 16 du bras comprise entre 40% et 80 % de la valeur de la corde de ce bras. Ce profil, dit NACA (série 6) , vise à reculer le plus possible vers l'aval le point de transition vers la turbulence apparaissant lorsque s'achève le gradient de pression favorable (tel que la pression décroît vers l'aval). Dans cette perspective un profil dit Natural-Laminar-Flow aurait pu être également et avantageusement choisi. On observera que le bord de fuite 18 du bras 15 sur la face interne de la pale associée est proche du bord de fuite de la pale de sorte que l'inévitable déstabilisation de la couche limite sur le bras interfère le moins possible avec le même phénomène se produisant de toutes façons en regard sur la pale.
De plus, comme on le voit mieux sur la figure 3C, il est prévu un congé de raccordement 17 au niveau du raccord entre le pied de chaque bras et la pale que ce bras rejoint sur toute la périphérie de ce pied de façon à limiter les interactions entre couches limites se développant en regard sur la pale et sur le bras, notamment lorsque l'une des deux au moins est soumise à un gradient de pression adverse (tel que la pression croît vers l'aval). Le rayon du congé de raccordement est compris δ à 10δ, δ étant l'épaisseur de la couche limite inci¬ dente. On notera que cette valeur δ est parfaitement détermina- ble par l'homme de l'art connaissant le courant maximal du fluide dans lequel doit être immergée la turbine. Cette valeur correspond à l'épaisseur, qui serait la plus importante de la couche limite non perturbée par la turbine. La couche limite, supposée turbulente, ne cesse de croître, à partir de la face avant de la turbine qui correspond approximativement au bord d'attaque de la pale. Cette valeur maximale est donc sur la face arrière de la turbine. Elle s'exprime de la façon suivante :
δ = 0,16. D.Re-1/7
où D est le diamètre de la turbine (de préférence égal à H - voir figure 1A) , et Re désigne le nombre de Reynolds : Re =DU/v, où U est la vitesse du courant incident et v la viscosité cinématique du fluide.
Dans toutes les variantes décrites ci-après, qui constituent des améliorations supplémentaires de la présente invention, on conserve les caractéristiques décrites ci-dessus en relation avec la figure 3, à savoir la forme du profil du bras avec une zone d'épaisseur maximum reculée, l'existence d'un congé de raccordement au niveau de la jonction bras/pale, et le maintien du bord de fuite du bras vers le bord de fuite de la pale au niveau de la jonction bras-pale ou éventuellement au- delà de ce bord.
Les figures 4A et 4B sont des vues en perspective respectivement d'une variante de turbine selon un mode de réalisation de l'invention et de la jonction bras-pale de cette turbine, et la figure 4C est une vue de dessus de la jonction bras-pale de la turbine des figures 4A et 4B.
Selon une première caractéristique, visible en figure 4A, on prévoit des bras courbes partant radialement du moyeu puis se courbant vers 1 ' avant (dans la direction de rotation de la turbine) . Comme cela est mieux représenté en figure 4C, le bras se raccorde selon un angle a compris entre 30° et 80° avec le plan de général de la pale.
Selon une deuxième caractéristique, la jonction bras/pale est modifiée par rapport au mode de réalisation des figures 3A et 3C. Plus particulièrement, comme on le voit mieux en figures 4A et 4B, le bord d'attaque 26 de chaque bras 25 est en retrait par rapport au bord d'attaque 27 de chaque pale 21. Si le raccordement entre le bord d' attaque du bras et la pale est trop abrupt, la partie de la couche limite sur la pale en amont du bras tend à décoller et à initier, lors de l'impact sur le bras, une zone de recirculation avec un ou plusieurs tourbillons transversaux dits d'arrêt. On notera que cette deuxième caractéristique (retrait du bord d'attaque de chaque bras 25 par rapport au bord d'attaque 27 de la pale correspondante et prévision d'une extension 28) s'applique aussi bien dans le cas de bras rectilignes que dans le cas de bras courbes . Ce bras est en outre modifié par rapport aux modes de réalisation précédents en ce que le bord de fuite du bras s'incurve vers l'amont de sorte que la corde du bras se réduise jusqu'à une valeur prescrite par les calculs de structure. Une tel mode de réalisation est particulièrement adapté aux TFTMP classiques comportant par pale deux ou trois bras qui peuvent ainsi avoir des sections plus faibles.
Les figures 5A et 5B représentent une turbine et un détail du raccord bras-pale. Dans cette variante, les caracté- ristiques sont de façon générale similaires à celles illustrées en figures 4A, 4B mais, en outre, le bord de fuite 40 de chaque bras 25 est reculé par rapport au bord de fuite 41 de chaque pale 21 de sorte que l'épaisseur maximale du bras coïncide sensiblement avec le bord de fuite de la pale. Ainsi seul un gradient de pression favorable se développe sur la partie du bras en regard de la pale. A nouveau, on notera que cette caractéristique (retrait du bord de fuite de chaque bras 25 par rapport au bord de fuite 27 de la pale correspondante) s'applique aussi bien dans le cas de bras rectilignes que dans le cas de bras courbes.
Les figures 6A et 6B représentent des vues de face d'une pale 31 surmontant un bras 35 lié à un moyeu 3. Les vues en perspective correspondantes sont celles des figures 3A, 4A ou 5A. La figure 6A représente une pale droite, ayant une flèche de 0° et la figure 6B une pale en V avec une flèche de l'ordre de 30°. Selon la variante illustrée en figures 6A et 6B, la face externe 60 en figure 6A et 61 en figure 6B de la pale au droit du bras présente un évidement. Des congés de raccordement importants (jusqu'à 1/5 de la hauteur H/2 de la demi-pale sont prévus dans ce mode de réalisation. Une conséquence défavorable de l'existence de ces congés de raccordement importants est de rendre massif le raccordement, ce qui augmente le maître couple vis-à-vis de l'écoulement incident et donc la traînée. La prévision de l' évidement 60, 61 permet d'éviter cet inconvénient et de limiter cette augmentation du maître couple.
Les figures 7A et 7B sont des vues en perspective d'une pale et du raccord bras/pale d'une turbine ayant certaines caractéristiques de la turbine représentée dans la figure 4A à savoir des bras courbes, le bord d'attaque 26 de chaque bras 25 étant en retrait par rapport au bord d'attaque 27 de chaque pale 21. Le raccord bras-pale est en revanche différent. Dans la figure 4A les lignes du bord d'attaque de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras et la ligne du bord d'attaque du bras, ne sont pas connexes (ne se rencontrent pas) . Les lignes du bord de fuite de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras et la ligne du bord d'attaque du bras, sont connexes mais présentent une cassure au niveau de la jonction. Le mode de réalisation des figures 7A et 7B est tel que les lignes des bords d'attaque pales-bras sont connexes et lisses ainsi que les lignes des bords de fuite pales-bras. Plus précisément les profils de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras fusionnent avec le profil de bras en adoptant progressivement l'un, le demi-profil haut et l'autre, le demi- profil bas du bras. Ainsi les lignes du bord d'attaque et de fuite de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras viennent progressivement converger tangentiellement vers la ligne du bord d'attaque et de bord de fuite du bras, respectivement. Ce faisant, la corde du profil de chaque demi- pale décroît et son épaisseur croît tandis que l'on se rapproche de la jonction pale-bras. Il en résulte la présence d'une échancrure 63 à l'opposé du raccordement bras-pale.
La figure 8 est une vue en perspective d'une turbine présentant toutes les caractéristiques des divers modes de réalisation de la présente invention. Chaque pale adopte en outre de part et d'autre du bras une forme d'aile volante en V inversé, c'est-à-dire dont la flèche peut varier entre -45° et 0°. Les bras courbes présentent certaines des caractéristiques inversées du bras de la figure 4A.
La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art qui pourra notamment adopter diverses variantes décrites dans les publications antérieures des inventeurs.
Enfin, la présente invention a été décrite dans le cas de turbomachines fonctionnant dans des courants liquides (hydroliennes) . On pourra adapter la présente invention à des turbomachines fonctionnant dans des courants gazeux (éoliennes) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbine hydraulique à flux transverse mue par des forces de portance exercées sur les pales, comprenant un arbre d'entraînement et des pales motrices réparties autour de l'arbre d'entraînement, chaque pale motrice (11, 21) étant reliée à l'arbre d'entraînement (3) par au moins un bras (15, 25), dans laquelle :
le bord d'attaque (16) de chaque bras a un profil hydrodynamique symétrique dont l'épaisseur maximale (e) est située vers l'arrière du profil, à une distance (b) par rapport au bord d'attaque variant entre 40% et 80 % de la longueur (a) de la corde de ce profil ;
le bord de fuite du bras sur la face interne de la pale associée est au niveau du bord de fuite de la pale ou est reculé par rapport à celui-ci ; et
un congé de raccordement (17) est prévu au niveau de chaque jonction bras/pale sur toute la périphérie du pied du bras, le rayon de ce congé de raccordement étant compris entre δ à 10δ, δ étant l'épaisseur de la couche limite incidente.
2. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle la naissance du bord d'attaque (26) du bras (25) sur la face interne de la pale associée est reculée, par rapport au bord d'attaque de ladite pale (21), d'une distance (d) égale à 30 à 50 % de la longueur (c) de la corde de la pale au niveau de la jonction pale/bras.
3. Turbine selon la revendication 2, dans laquelle la naissance du bord d'attaque du bras sur la face interne de la pale associée est munie d'une extension (28) du bord d'attaque du bras dans la zone amont de jonction avec la pale ; cette extension, de forme sensiblement triangulaire, démarrant du bord d'attaque du pied de la pale pour rejoindre progressivement le bord d'attaque du bras, la longueur de l'extension sur le bord d'attaque du bras étant de l'ordre de la moitié (d/2) de la distance de recul.
4. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque bras (25) , dont la corde est sensiblement constante, a une forme courbe de telle sorte que la ligne du bord d'attaque est concave et la ligne du bord de fuite convexe .
5. Turbine selon la revendication 4, dans laquelle l'angle (a) formé par la corde de la pale au niveau de la jonction pale/bras et le bord d'attaque du bras est compris entre 30° et 80°.
6. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le bord de fuite du bras est reculé afin que l'épaisseur maximale (e) du bras coïncide sensiblement avec le bord de fuite de la pale .
7. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle, quand le rayon du congé de raccordement est voisin de sa valeur maximale (10δ) , les faces externes des pales sont creusées au niveau de la jonction pale/bras de façon à définir un évidement (60, 61) .
8. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle, les lignes du bord d'attaque de chaque moitié de pale située de part et d'autre du bras viennent progressivement converger tangentiellement vers la ligne du bord d'attaque du bras, les profils de ces deux moitiés fusionnant avec le profil de bras en adoptant l'un, le demi-profil haut et l'autre, le demi-profil bas du bras.
9. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque pale est reliée à l'arbre par un bras unique et a de part et d'autre de ce bras une forme d'aile volante en flèche, droite, ou en flèche inversée.
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