FR2481756A1 - Wind driven generator mounted on pylon - has vertical aerofoil blades with automatic blade angle adjustment according to wind loading - Google Patents

Wind driven generator mounted on pylon - has vertical aerofoil blades with automatic blade angle adjustment according to wind loading Download PDF

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Abstract

The air driven generator has a rotor (11) made up of six support arms (12) which are joined in pairs by vertical blades (13). The rotor is mounted at the top of a pylon (23). The pylon supports the generator driven through the constant speed coupling (19) which is controlled by the anemometer (20). The blade pitch is controlled from the lower edge of the blade (14) so that the blades can be feathered under high wind velocities. The mechanism may consist of a spring loaded arm attached to a bell crank lever joined to the blade pivot.

Description

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs permettant aux pales d'un aérogénérateur à axe vertical de subir sans détérioration les efforts violents d'un vent de tempête, de ralentir le rotor dans les limites de vitesse prédéterminées, de régulariser la vitesse de l'arbre récepteur en agissant sur lui directement et de pouvoir ainsi entrainer des récepteurs inhabituels et envisager des utilisations nouvelles de lténergie éolienne. The present invention relates to a set of devices allowing the blades of a wind turbine with vertical axis to undergo without deterioration the violent efforts of a storm wind, to slow down the rotor within the predetermined speed limits, to regulate the speed of the receiving tree by acting on it directly and being able to thus train unusual receivers and to consider new uses of wind energy.

L'utilisation de l'énergie éolienne par'l'homme remonte à plusieurs millénaires. Bien entendu, en fonction de l'évolution des technologies, de l'utilisation de combustibles minéraux et autres, l'inté- rêt pour les capteurs éoliens avait considérablement diminue. Human use of wind energy dates back several millennia. Of course, depending on the evolution of technologies, the use of mineral fuels and others, the interest in wind sensors had considerably decreased.

Etant donné le coût actuel du pétrole, un regain dtintérêt se manifeste depuis quelques années pour l'utilisation des ressources dites naturelles et, parmi celles-ci, le vent qui, dans des sites ehoisis et à l'aide de matériels adaptés, peut apporter une énergie non négligeable. Le rendement des aérogénérateurs modernes nécessite néanmoins, pour des puissances acceptables, des dimensions de rotor importantes qui entrainent des contraintes mécaniques élevées sous l'action de vents violents et irréguliers. Il y a actuellement deux familles d'aérogénérateurs à pales rapides, ceux qui possèdent l'arbre du rotor dans un plan horizontal et un dispositif d'orientation dans le vent, et ceux dont l'arbre du rotor est dans un plan vertical. et qui ne nécessitent aucun dispositif d'orientation.Les premiers existent sur le marché en quantité et possèdent différents types de protection et de régulation plus ou moins efficaces, les seconds qui intéressent directement l'in- vention sont essentiellement développés Ouire-Atlantique, bien que la création soit française et présentée aux alentours de 1925 par Monsieur DANRIEUS. Given the current cost of oil, there has been a renewed interest in the use of so-called natural resources in recent years and, among these, the wind which, in selected sites and using suitable materials, can bring a significant energy. The efficiency of modern wind turbines nevertheless requires, for acceptable powers, large rotor dimensions which cause high mechanical stresses under the action of strong and irregular winds. There are currently two families of fast-blowing wind turbines, those which have the rotor shaft in a horizontal plane and a wind orientation device, and those whose rotor shaft is in a vertical plane. and which do not require any guidance device. The former exist on the market in quantity and have different types of more or less effective protection and regulation, the latter which are of direct interest to the invention are essentially developed Ouire-Atlantique, although that the creation be French and presented around 1925 by Monsieur DANRIEUS.

L'un des avantages de ces derniers est d'avoir un rotor à pales fixes transmettant directement le couple moteur à la partie inférieure du support. Mais, hélas, ce type d'appareil comporte également des inconvénients ; parmi ceux-ci, la faiblesse du rotor dont les pales fixes offrent une grande surface au vent, ce qui entraine, dans la plupart des cas, leur destruction par vents de tempêté. Le surdimensionnement, l1u- tilisation et l'association de matériaux élaborés plus résistants, ne font qutaugmenter le prix de revient de l'appareil sans donner l'assu- rance d'une parfaite tenue aux vents violents. One of the advantages of the latter is to have a rotor with fixed blades directly transmitting the engine torque to the lower part of the support. But, alas, this type of device also has drawbacks; among these, the weakness of the rotor whose fixed blades offer a large surface to the wind, which causes, in most cases, their destruction by stormy winds. Oversizing, the use and combination of more resistant elaborate materials only increase the cost price of the device without providing the assurance of perfect resistance to strong winds.

Les dispositifs décrits ci-après protègent efficacement le rotor contre un emballement excessif par vent fort et contre les efforts violents dus à un vent de tempête et, ceci, automatiquement, sans aucune in tervention extérieure. The devices described below effectively protect the rotor against excessive runaway in strong winds and against violent forces due to a stormy wind, and this, automatically, without any external intervention.

Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en se réfèrant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un aérogénérateur à axe vertical montrant les positions relatives des éléments le composant. Le rotor il composé de 6 supports 12 et de 3 pales verticales 13 tourne sur un pylone support 23. C'est à l'extrêmité 14 de chaque pale que se montent les différentes variantes des dispositifs de régulation et de protection. L'une d'entre elles néanmoins, par l'intermédiaire de masses d'inertie 17 fixées dans les bras supports 12, agit par-force centrifuge, soit sur l'incidence de la pale elle-meme, soit sur les mâchoires 16 de freins à disques 15, soit sur les deux à la fois.The characteristics of the invention will emerge more particularly from the description which follows, given by way of example and made with reference to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a schematic perspective view of an aerogenerator with vertical axis showing the relative positions of the components. The rotor it composed of 6 supports 12 and 3 vertical blades 13 rotates on a support pylon 23. It is at the end 14 of each blade that the different variants of the regulation and protection devices are mounted. One of them, however, by means of inertia masses 17 fixed in the support arms 12, acts by centrifugal force, either on the incidence of the blade itself, or on the jaws 16 of disc brakes 15, or on both at the same time.

Sur l'exemple, le rotor est lancé par un ensemble de 3 rotors de SAVONIUS 19 et, en plus d'un contrôle de vitesse sur l'arbre 21, il y a un contrôle par anémomètre extérieur 20. Les récepteurs quels qu'ils soient s'adaptent en 22.In the example, the rotor is launched by a set of 3 SAVONIUS rotors 19 and, in addition to a speed control on the shaft 21, there is control by an external anemometer 20. The receivers whatever either fit into 22.

t la figure 2 représente la position normale, en vue de dessus, des 3 pales par rapport à l'axe du rotor. Dans ce cas, l'angle entre la pale et son support est de 900. t Figure 2 shows the normal position, in top view, of the 3 blades relative to the axis of the rotor. In this case, the angle between the blade and its support is 900.

- la figure 3 montre les pales dont les bords d'attaque s'orientent vers 11axe du rotor. Cette position crée des turbulences aérodynamiques faisant chuter la vitesse de rotation qui reste ainsi dans des limites admissibles. Fig. 3a et 6. - Figure 3 shows the blades whose leading edges are oriented towards the axis of the rotor. This position creates aerodynamic turbulence causing the speed of rotation to drop, thereby remaining within admissible limits. Fig. 3a and 6.

- la figure 4 représente les pales munies de volets en position de freinage, étudiées plus en détail sur les figures 4a et 6e. - Figure 4 shows the blades with flaps in the braking position, studied in more detail in Figures 4a and 6e.

- la figure 5 représente la position des pales lorsque le vent dépasse une valeur imposée. Dans cette situation extrême, plus explicite sur la figure 5a, elles se mettent indépendamment les unes des autres dans la direction du vent après déverrouillage de leur arbre support 64 et offrent ainsi une moindre résistance à celui-ci. L'explication du principe est donnée avec plus de détails dans l'examen des figures 6. - Figure 5 shows the position of the blades when the wind exceeds an imposed value. In this extreme situation, more explicit in FIG. 5a, they stand independently of each other in the direction of the wind after unlocking their support shaft 64 and thus offer less resistance to it. The explanation of the principle is given in more detail in the examination of Figures 6.

- la figure 6 schématise 5 variantes possibles de dispositifs ralentisseurs automatiques, figures 6a, 6b, 6c, 6d et 6e. Sur trois d'entre elles 6b, 6c et 6d, clest la masse des pales elles-mêmes, de par la position excentrée de leurs arbres supports 64 sur lesquels elles sont verrouillées par le dispositif réglable à ressort 68, qui crée par force centrifuge un mouvement de rotation vers l'extérieur du bord de fuite autour de l'arbre 65. Sur la variante 6a, c'est une masse d'inertie additionnelle M qui coulisse dans le bras support 63 et qui agit en C par l'intermédiaire dune biellette et qui s'ajoute à la masse des pales 62.  - Figure 6 shows schematically 5 possible variants of automatic retarder devices, Figures 6a, 6b, 6c, 6d and 6th. On three of them 6b, 6c and 6d, the mass of the blades themselves is due to the eccentric position of their support shafts 64 on which they are locked by the adjustable spring device 68, which creates by centrifugal force a rotational movement towards the outside of the trailing edge around the shaft 65. In variant 6a, it is an additional mass of inertia M which slides in the support arm 63 and which acts at C via a rod and which is added to the mass of the blades 62.

Dans certains cas particuliers, liés aux caractéristiques de l'aérogénérateur, cette masse M peut également solliciter le piston d'un cylindre hydraulique actionnant les mâchoires d'un frein agissant sur un disque solidaire du support figure 7.In certain particular cases, linked to the characteristics of the wind generator, this mass M can also request the piston of a hydraulic cylinder actuating the shoes of a brake acting on a disc secured to the support in FIG. 7.

Quant à la variante 6e, elle présente l'avantage de supprimer la pièce intermédiaire 61 commune aux variantes précédentes. La pale 62 est verrouillée directement sur le support de pale 63 ; c'est la masse additionnelle Ml qui, par force centrifuge, fait sortir le volet 69 habituellement plaqué sur le bord de fuite par le ressort de rappel 71 autour de l'axe de rotation 70. As for the 6th variant, it has the advantage of eliminating the intermediate piece 61 common to the previous variants. The blade 62 is locked directly on the blade support 63; it is the additional mass M1 which, by centrifugal force, causes the flap 69 to come out, usually pressed against the trailing edge by the return spring 71 around the axis of rotation 70.

Il est à noter que, quelles que soient les variantes précitées concernant la régulation de la vitesse du rotor, le système de proteetion lui, est indépendant et est toujours basé sur le mtme principe de vsrrouillage à ressort réglable 68. It should be noted that, whatever the abovementioned variants concerning the regulation of the speed of the rotor, the protection system itself is independent and is always based on the same principle of adjustable spring locking vs 68.

Ce système permet, contrairement à tout autre limiteur de couple, de remettre automatiquement les pales en position de travail dès que le rotor est débloqué et qu'il est à nouveau relancé par un dispositif de lancement, ici le rotor'de SAVONIUS 19 de la figure 1. This system allows, unlike any other torque limiter, to automatically return the blades to the working position as soon as the rotor is unlocked and it is restarted again by a launching device, here the SAVONIUS rotor 19 of the figure 1.

- la figure 7 représente 2 vues schématiques en profil'et dessus dlun bras support de pale. Un éclaté précise la position du maitre cylindre 73, du frein à disque 72 à commande hydraulique, du disque 71 fixé sur le support de l'aérogénérateur. Elle représente également un exemple dé l'association possible entre les dispositifs 6a et 6e destinés à la régulation et le verrouillage 7.68 permettant la mise en drapeau. En effet, il est possible suivant :
la puissance, c'est-à-dire les dimensions du rotor,
les conditions climatiques du site d'implantation,
les utilisations de l'énergie éolienne disponible,
e les possibilités de surveillance et d'entretien, de. choisir les dispositifs les mieux adaptés ou leurs associations.- Figure 7 shows 2 schematic views in profile and above a blade support arm. An exploded view specifies the position of the master cylinder 73, of the disc brake 72 with hydraulic control, of the disc 71 fixed on the support of the wind generator. It also represents an example of the possible association between the devices 6a and 6e intended for regulation and locking 7.68 enabling feathering. Indeed, it is possible following:
the power, that is to say the dimensions of the rotor,
the climatic conditions of the site,
the uses of available wind energy,
e the possibilities of monitoring and maintenance,. choose the most suitable devices or their combinations.

Le but de l'invention est de rendre sflr et efficace ce type de générateur qui, de par sa conception, est plus simple que ses homologues à axes horizontaux, pour un rendement sensiblement équivalent, ctest-à-dire de nécessiter un court de construction nettement moins important. The object of the invention is to make this type of generator which is, by design, simpler and more efficient than its counterparts with horizontal axes, for a substantially equivalent output, that is to say requiring a short construction significantly less important.

Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative Gon- cernant la régulation du rotor et sa protectionS l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre.  Of course, the foregoing description is not limiting As regards the regulation of the rotor and its protection, the invention can be implemented according to other variants, without departing from its scope.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1 - Aérogénérateur à axe vertical (Fif. 1) caractérisé en ce qu'il est muni de dispositifs (Fig. 6) de régulation automatique par effet centrifuge, montés aux extrêmités de pales (14) et supports de pales (12). 1 - Aerogenerator with vertical axis (Fif. 1) characterized in that it is provided with devices (Fig. 6) of automatic regulation by centrifugal effect, mounted at the ends of blades (14) and blade supports (12). sur la masse M1 (6e) entrainant la sortie d'un volet (69) faisant office de frein aérodynamique, lui aussi plaqué en position normale par un réssort (71) autour de l'axe (70). on the mass M1 (6th) causing the output of a flap (69) acting as an aerodynamic brake, also pressed in the normal position by a spring (71) around the axis (70). sur la masse additionnelle M (6a) en association avec la masse des pales avec également une possibilité de réglage des ressorts de rappel (67 > , on the additional mass M (6a) in combination with the mass of the blades with also a possibility of adjusting the return springs (67>, sur le poids des pales elles-mêmes (6b), (6c) et (6d) et est con tr81é par des ressorts de rappel ou équivalents (67), on the weight of the blades themselves (6b), (6c) and (6d) and is controlled by return springs or the like (67), L'effet centrifuge se manifeste soitThe centrifugal effect manifests itself either 2 - Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protection du rotor est indépendante du système de régulation et automatique également. Elle est due à un système de déverrouillage de l'axe support des pales (64) fig. 6. Lorsque le couple produit par l'effet du vent sur les pales est plus élevé que le couple de rappel dû à l'effort du ressort (68) sur la clavette demi-ronde ou la bille, il entraine sa sortir de la rainure de blocage -de l'arbre (fig. 5a), l'arbre devient libre sur son palier et la pale dont il est solidaire également. 2 - Aerogenerator according to claim 1, characterized in that the rotor protection is independent of the regulation system and also automatic. It is due to a system for unlocking the blade support axis (64) fig. 6. When the torque produced by the effect of the wind on the blades is higher than the return torque due to the force of the spring (68) on the half-round key or the ball, it causes it to come out of the groove blocking -from the shaft (fig. 5a), the shaft becomes free on its bearing and the blade of which it is also integral. 3 - Aérogénérateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les différents dispositifs de régulation et protection, bien qu'indépendants les uns des autres, ne fonctionnent que par la position particulière de l'arbre (64) par rapport au centre de gravité des pales. 3 - Aerogenerator according to claims 1 and 2, characterized in that the different regulation and protection devices, although independent of each other, operate only by the particular position of the shaft (64) relative to the center blade severity. En fonction du profil symétrique choisi ici pour la construction de la pale de notre exemple, l'axe (64) est exactement à 30 % du bord d'attaque de la corde de la pale alors que le centre de gravité et le centre de poussée sont en arrière à plus de 40 % du bord d'attaque. De même, l'axe de rotation (65), de par sa position décalée, favorise l'action de régulation des dispositifs comportant la plaque support (61).Depending on the symmetrical profile chosen here for the construction of the blade of our example, the axis (64) is exactly 30% of the leading edge of the blade chord while the center of gravity and the center of thrust are behind more than 40% of the leading edge. Similarly, the axis of rotation (65), by its offset position, promotes the regulating action of the devices comprising the support plate (61). 4 - Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation (Fig. 6) est basée : 4 - Aerogenerator according to claim 1, characterized in that the regulation (Fig. 6) is based: sur la variation d'incidence des pales (62) dont le bord de fuite s'éloigne du centre de rotation du rotor en tournant solidairement avec la pièce (61) autour de l'axe (65) sous l'action de la force centrifuge. on the variation of incidence of the blades (62) whose trailing edge moves away from the center of rotation of the rotor by turning integrally with the part (61) around the axis (65) under the action of centrifugal force . su sur le ralentissement dû aux turbulences provoquées par le volet (69 de la (fig. 6e) tournant autour de I'axe (71) sous l'action de la force centrifuge sur M1. Volet tenu en position normale rentré par un ressort (71). lorsque la vitesse de rotation du rotor reste dans la plage admissible. known about the slowing down due to the turbulence caused by the flap (69 of the (fig. 6e) rotating around the axis (71) under the action of centrifugal force on M1. Shutter held in normal position retracted by a spring ( 71) when the rotor speed remains within the permissible range. Le tout maintenu, bien entendu, par les dispositifs de rappel (67) et, dans certains cas, par le choix de la valeur de la masse M (fig. 6a),All of this, of course, maintained by the return devices (67) and, in certain cases, by the choice of the value of the mass M (FIG. 6a), ou sur le freinage à l'aide d'un frein sur le moyeu de rotor (fig. or on braking using a brake on the rotor hub (fig. ou sur l'association éventuelle des variantes précitées comme, par exemple, la fig. (7) comprenant frein, variation d'incidence (6a) et sortie d'un volet (6a). or on the possible association of the aforementioned variants such as, for example, FIG. (7) comprising brake, variation of incidence (6a) and outlet of a flap (6a). 7) commandé par l'action de la masse M coulissant dans les bras supports de pales sous l'action de la force centrifuge,7) controlled by the action of the mass M sliding in the blade support arms under the action of centrifugal force, 5 - Aérogénérateur selon la revendication 2, caracérisé par le fait que la protection du rotor est basée sur l'effacement des pales dans le lit du vent lorsque celui-ci est considéré comme trop violent ou qu'il y a risque de détérioration du rotor,' Le système appliqué est celui du déverrouillage de l'arbre (68) des pales pour un couple donné (fig. 5) et (fig. 5a). Son intérêt réside également dans le fait que les pales reprennent automatiquement leur position de travail (fig. 2) lorsque le vent est redevenu normal, le rotor est relancé à l'aide du rotor auxiliaire (19) et de (fig. 1).L'anémomètre (20) est à l'origine du signal de frei- nage complet avec arrêt en cas de tempête ou tout simplement lorsque la vitesse du vent dépasse le seuil retenu pour son exploitation C'est éga lement lui qui débloque le frein géneral et commande la remise en fonctionnement associé au rotor (19). 5 - A wind generator according to claim 2, characterized by the fact that the protection of the rotor is based on the erasure of the blades in the wind bed when the latter is considered as too violent or that there is a risk of deterioration of the rotor , 'The system applied is that of unlocking the shaft (68) of the blades for a given torque (fig. 5) and (fig. 5a). Its advantage also lies in the fact that the blades automatically return to their working position (fig. 2) when the wind has returned to normal, the rotor is restarted using the auxiliary rotor (19) and (fig. 1). The anemometer (20) is the source of the complete braking signal, stopping in the event of a storm or simply when the wind speed exceeds the threshold used for its operation. It is also it that unlocks the general brake. and controls the restarting operation associated with the rotor (19). 6 - Aérogénérateur selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le choix ou l'association de ces dispositifs ou de dispositifs si milaires, est lié 6 - An aerogenerator according to claims 4 and 5, characterized in that the choice or association of these devices or devices if military, is linked aux dimensions du rotor, the dimensions of the rotor, aux conditions climatiques, climatic conditions, aux utilisations souhaitées de l'énergie éolienne, the desired uses of wind energy, aux possibilités et fréquences des visites d'entretien. the possibilities and frequencies of maintenance visits. 7 - Aérogénérateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que, même en cas d'absence de freinage de ensemble déclenché par l'ané- momètre (20) ou tout autre système, le rotor se met dans une position telle qu?il présente une résistance moindre au vent de par l'orientation libre de ses pales par effet de girouette, et résiste aux efforts violents 7 - Wind generator according to claim 5, characterized in that, even in the absence of braking assembly triggered by the anemometer (20) or any other system, the rotor is put in a position such that it? has less wind resistance due to the free orientation of its blades by weather vane effect, and resists violent efforts d'un vent de tempête.  of a storm wind.
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