FR2491155A1

FR2491155A1 - Horizontal axis wind turbine for domestic heating - uses set of curved radial blades stationary outside rotor to spiral wind behind helical rotor increasing rotor output

Info

Publication number: FR2491155A1
Application number: FR8021032A
Authority: FR
Inventors: Pierre Louis Poullain
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1982-04-02

Abstract

The appts. has a rotor with multiple helical blades mounted on a horizontal shaft so the plane of the blades is square on to the wind. A stationary hoop surrounds the path of the rotor blade tips. A set of radially directed vanes are fixed to the hoop and are curved to direct oncoming wind to form a vortex behind the rotor, increasing the air velocity through the rotor and hence the turbine output. The rotor (1) and wind director vanes (23) are mounted on a horizontal shaft (3) carried at the top of a rotatable column (6). An electric generator (20) is carried on the horizontal shaft. The vane support hoop (18) is fixed by a horizontal sheet (14) to the rotating head assembly. The separation distance between vanes is similar to the chord length of each vane at a given radius. The appts. can be used to provide domestic heating.

Description

La présente invention se rapporte aux éoliennes à axe horizontal. The present invention relates to wind turbines with a horizontal axis.

L'énergie "récupérable" par une éolienne classique est de l'ordre de 20% de l'énergie totale susceptible d'être fournie par le mouvement de l'air. Ceci s'exprime par l'équation suivante donnant la puissance en watts de l'éolienne :
P = 0,2 D2 V3 où D est le diamètre en mètres de l'hélice de l'éolienne et V la vitesse du vent en mètres par seconde.The energy "recoverable" by a conventional wind turbine is of the order of 20% of the total energy capable of being supplied by the movement of air. This is expressed by the following equation giving the power in watts of the wind turbine:
P = 0.2 D2 V3 where D is the diameter in meters of the wind turbine propeller and V the wind speed in meters per second.

Cette formule montre que pour produire 5 KW avec un vent de 10 m/s, il faut disposer d'une hélice d'un diamètre de 5 mètres. This formula shows that to produce 5 KW with a wind of 10 m / s, it is necessary to have a propeller with a diameter of 5 meters.

Le but de l'invention est d'obtenir, à puissance égale, une réduction importante du diamètre de l'hélice et, par voie de conséquence, de simplifier la fabrication de l'éolienne et d'en diminuer le coût, tout en rendant son implantation plus facile. The object of the invention is to obtain, at equal power, a significant reduction in the diameter of the propeller and, consequently, to simplify the manufacture of the wind turbine and to reduce its cost, while making its implementation easier.

A cet effet l'invention a pour objet une éolienne comportant un rotor constitué par une hélice, analogue à une hélice d'avion, solidaire d'un arbre horizontal tourillonnant dans un châssis, caractérisée en ce que sur le châssis est fixée autour de l'hélice un stator comportant une virole concentrique à l'arbre, sur la face externe de laquelle sont fixées des aubes radiales uniformément espacées ayant une orientation telle que, lorsque l'hélice est mise en rotation par le souffle du vent, elles créent une dépression à l'aval de l'hélice et qu'elles impriment aux filets d'air situés autour de l'hélice un mouvement de rotation, ou vortex, dont l'axe est approximativement celui de l'arbre. To this end, the subject of the invention is a wind turbine comprising a rotor constituted by a propeller, similar to an airplane propeller, secured to a horizontal shaft swiveling in a chassis, characterized in that on the chassis is fixed around the propeller a stator comprising a ferrule concentric with the shaft, on the external face of which are fixed uniformly spaced radial vanes having an orientation such that, when the propeller is rotated by the wind, they create a depression downstream of the propeller and that they impart to the air streams located around the propeller a rotational movement, or vortex, whose axis is approximately that of the shaft.

La déviation des filets d'air et leur mise en vitesse circonférentielle par l'effet des aubes apportent un gain de puissance, encore accru par une conformation suivant un profil divergent de la virole, qui contribue à dévier le flux d'air et à engendrer une dépression à l'aval. I1 est souhaitable, pour éviter des tourbillons parasites, que dans les vortex concentriques créés respectivement par l'hélice elle-même et par l'aubage péripherique du stator, la rotation des filets d'air ait lieu dans le même sens. The deflection of the air streams and their circumferential setting by the effect of the blades provide a gain in power, further increased by a conformation according to a divergent profile of the ferrule, which contributes to deflecting the air flow and generating downstream depression. I1 is desirable, to avoid parasitic vortices, that in the concentric vortices created respectively by the propeller itself and by the peripheral blading of the stator, the rotation of the air streams takes place in the same direction.

L'espacement des aubes, à leur naissance sur la virole, est avantageusement du même ordre de grandeur que la longueur de la corde de l'arc correspondant formé par chaque aube sur la virole divergente, entre les bords extrêmes de cette dernière. The spacing of the blades, at their birth on the ferrule, is advantageously of the same order of magnitude as the length of the chord of the corresponding arc formed by each blade on the divergent ferrule, between the extreme edges of the latter.

Les aubes peuvent avoir, soit là forme d'un segment de cylindre, soit, de préférence, la forme d'un segment de tronc de cône, ce qui permet de maintenir le même rapport espacement-corde sur toute la dimension radiale de l'aube. Cette dimension radiale est, de préférence, sensiblement égale au rayon du bord extérieur de la virole. The blades may have either the shape of a cylinder segment or, preferably, the shape of a truncated cone segment, which makes it possible to maintain the same spacing-chord ratio over the entire radial dimension of the dawn. This radial dimension is preferably substantially equal to the radius of the outer edge of the shell.

De façon classique le châssis de l'éolienne est auto-orientable en ce sens qu'il est monté rotatif autour d'un axe vertical sur un support rigide, qui est par exemple ancré dans une fondation, de sorte que le rotor peut pivoter à la manière d'une girouette en se plaçant face au vent. Du fait que suivant l'invention une forte dépression s'établit à l'aval du rotor, la présence d'un empennage de type usuel serait quasi inopérante. En conséquence une caractéristique complémentaire de l'invention consiste en ce que le rotor est déporté horizontalement par rapport à l'axe vertical de pivotement, de sorte qu'il se trouve nettement en aval de son support. Conventionally the chassis of the wind turbine is self-orientating in the sense that it is rotatably mounted around a vertical axis on a rigid support, which is for example anchored in a foundation, so that the rotor can pivot at like a weather vane by facing the wind. Because, according to the invention, a high vacuum is established downstream of the rotor, the presence of a tailplane of the usual type would be almost ineffective. Consequently, an additional characteristic of the invention consists in that the rotor is offset horizontally relative to the vertical pivot axis, so that it is clearly downstream of its support.

Compte tenu du porte-à-faux résultant de cette disposition, des moyens de contreventement sont prévus sur le châssis rotatif pour obtenir la rigidité souhaitable sous la poussée du vent. Given the overhang resulting from this arrangement, bracing means are provided on the rotary chassis to obtain the desired rigidity under the thrust of the wind.

Pour éviter que l'hélice atteigne un régime de rotation excessif sous l'effet d'un vent très violent, des volets mobiles formant diaphragme, tarés pour prendre une position réduisant la surface d'attaque de l'air pour une vitesse de vent déterminée, peuvent être disposés immédiatement à l'amont de l'hélice. To prevent the propeller from reaching an excessive rotation speed under the effect of a very strong wind, movable flaps forming a diaphragm, calibrated to take a position reducing the air attack surface for a determined wind speed , can be placed immediately upstream of the propeller.

Divers matériaux peuvent être utilisés pour l'exé- cution des aubes et de la virole divergente, par exemple un métal ou un tissu de verre, ou des fibres de verre, aggloméré par une résine. Various materials can be used for the execution of the vanes and the divergent ferrule, for example a metal or a glass fabric, or glass fibers, agglomerated by a resin.

L'éolienne suivant l'invention se prête particulièrement à une utilisation de caractère domestique pour la production d'énergie électrique en vue du chauffage d'une maison. Dans cette application l'hélice, dont le pas est fixe ou variable, entraine en rotation une génératrice par l'intermédiaire d'un train d'engrenages multiplicateur, dont la construction pourra être simplifiée du fait que la réduction de diamètre de l'hélice, rendue possible par la présence du stator,va de pair avec un accroissement de sa vitesse de rotation, a vitesse de vent égale. The wind turbine according to the invention is particularly suitable for use of a domestic character for the production of electrical energy for heating a house. In this application, the propeller, the pitch of which is fixed or variable, drives a generator in rotation by means of a multiplier gear train, the construction of which can be simplified because the reduction in diameter of the propeller , made possible by the presence of the stator, goes hand in hand with an increase in its speed of rotation, at equal wind speed.

L'invention sera explicitée au cours de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, dans lequel
- la fig. 1 est une vue en perspective schématique d'une éolienne suivant l'invention;
- la fig. 2 est une vue en élévation de l'hélice et du stator qui l'entoure;
- la fig. 3 est une vue en perspective, à plus grande échelle, d'une partie du stator;
- la fig. 4 est une vue développée à plat du stator montrant le profil d'une aube;
- la fig. 5 est une vue schématique illustrant la formation de deux vortex par le rotor et le stator, respectivement;
- la fig. 6 représente schématiquement des volets mobiles tarés, situés à l'amont du rotor;
- la fig. 7 est une vue analogue à la figure 3 représentant une variante dont les aubes sont des segments de cylindre;
- la fig. 8 est une vue analogue à la figure 4 montrant une aube à fentes.The invention will be explained during the description which follows, with reference to the appended drawing, in which
- fig. 1 is a schematic perspective view of a wind turbine according to the invention;
- fig. 2 is an elevational view of the propeller and the stator which surrounds it;
- fig. 3 is a perspective view, on a larger scale, of part of the stator;
- fig. 4 is a flat view of the stator showing the profile of a blade;
- fig. 5 is a schematic view illustrating the formation of two vortices by the rotor and the stator, respectively;
- fig. 6 schematically shows calibrated movable flaps, located upstream of the rotor;
- fig. 7 is a view similar to FIG. 3 showing a variant, the blades of which are cylinder segments;
- fig. 8 is a view similar to FIG. 4 showing a slotted vane.

L'éolienne représentée aux figures 1 et 2 comporte un rotor 1, constitué par une hélice à trois pales, solidaire d'un arbre horizontal 2 tourillonnant dans un tube de portée 3 d'un châssis orientable 4, qui comporte en position adjacente à l'extrémité du tube de portée 3 opposée à l'hélice 1 un tube vertical 6 dont l'extrémité inférieure 7 est guSQée en rotation, par l'intermédiaire de roulements à aiguilles 8 et d'une butée à billes 9, dans une douille 11 d'un support rigide 12,comprenant des jambes de force 13, ancré dans un massif de fondation non représenté. The wind turbine shown in FIGS. 1 and 2 comprises a rotor 1, constituted by a three-blade propeller, secured to a horizontal shaft 2 journalling in a bearing tube 3 of an orientable frame 4, which comprises in position adjacent to the end of the bearing tube 3 opposite the propeller 1 a vertical tube 6 whose lower end 7 is guSQed in rotation, by means of needle bearings 8 and of a ball bearing 9, in a sleeve 11 of a rigid support 12, comprising struts 13, anchored in a foundation block not shown.

La rigidité à l'égard des efforts dus au vent et au porte-à-faux résultant du déport horizontal relativement important de l'hélice 1 par rapport au tube vertical rotatif 6, est obtenue au moyen de deux voiles horizontaux triangulaires 14 fixés au tube de portée 3, symétriquement de part et d'autre de ce dernier, et par un voile vertical rectangulaire 16 dont deux côtés adjacents sont réunis, par exemple par soudage, respectivement au tube horizontal de portée 3 et au tube vertical rotatif 6. The rigidity with respect to the forces due to the wind and the overhang resulting from the relatively large horizontal offset of the propeller 1 relative to the rotary vertical tube 6, is obtained by means of two triangular horizontal sails 14 fixed to the tube of range 3, symmetrically on either side of the latter, and by a rectangular vertical veil 16 of which two adjacent sides are joined, for example by welding, respectively to the horizontal tube of range 3 and to the rotary vertical tube 6.

Suivant llinvention, le rotor 1 est entouré par un stator 17 qui comporte une virole 18, concentrique à l'arbre 2, de profil divergent (fig. 5), fixée par boulonnage en 19 et 21 aux voiles horizontaux 14 et en 22 au voile vertical 16 du châssis 4, sur la face externe de laquelle sont fixées ou formées des aubes radiales identiques 23 uniformément espacées circonférentielle ment et qui sont en outre reliées les unes aux autres par une couronne 24, fixée sur l'extrémité opposée à la virole 18 de chacune des aubes 23 et reliée par au moins un hauban 26 au sommet 27 du tube vertical rotatif 6. According to the invention, the rotor 1 is surrounded by a stator 17 which comprises a ferrule 18, concentric with the shaft 2, of divergent profile (fig. 5), fixed by bolting at 19 and 21 to the horizontal sails 14 and at 22 to the sail vertical 16 of the chassis 4, on the external face of which are fixed or formed identical radial vanes 23 uniformly spaced circumferentially and which are further connected to each other by a crown 24, fixed on the end opposite to the ferrule 18 of each of the blades 23 and connected by at least one guy 26 to the top 27 of the rotary vertical tube 6.

Comme le montre la figure 2, la dimension radiale L des aubes 23 est à peu près égale au rayon R du bord externe 18a de la virole 18. As shown in FIG. 2, the radial dimension L of the blades 23 is approximately equal to the radius R of the outer edge 18a of the ferrule 18.

Les aubes 23 des figures 1 à 5 sont des segments délimités axialement par deux génératrices 28,29 d'un tronc de cône, de sorte que si, comme il est souhaitable, le rapport entre l'espacement E des aubes 23 à leur naissance sur la virole 18 et la longueur C de la corde de l'arc correspondant formé sur la virole entre les bords extrêmes 18a,18b de cette dernière est approximativement égal à l'unité, ce rapport est à peu près maintenu sur toute la dimension radiale des aubes (E1/C1#E2/C2E/C#1). L'arc mesuré autour de l'axe de révolution du tronc de cne,qui définit les droites 28,29 est un peu inférieur à 900. The blades 23 of FIGS. 1 to 5 are segments delimited axially by two generatrices 28, 29 of a truncated cone, so that if, as is desirable, the ratio between the spacing E of the blades 23 at their birth on the ferrule 18 and the length C of the chord of the corresponding arc formed on the ferrule between the extreme edges 18a, 18b of the latter is approximately equal to the unit, this ratio is more or less maintained over the entire radial dimension of the blades (E1 / C1 # E2 / C2E / C # 1). The arc measured around the axis of revolution of the cone, which defines the lines 28,29 is slightly less than 900.

D'après la fig. 4 les aubes 23 sont pleines et profilées comme des ailes d'avion et la corde C est inclinée par rapport à l'axe XX de l'hélice d'un angle oc qui, compris entre 30 et 600, est sur la fig. 4 égal à 450. According to fig. 4 the blades 23 are full and profiled like airplane wings and the cord C is inclined relative to the axis XX of the propeller at an angle oc which, between 30 and 600, is in FIG. 4 equals 450.

Les figures 3 et 5 font apparaitre la déviation qui est imprimée aux filets d'air frappant le stator 17 de l'éolienne sous l'effet de la virole divergente 18 et de l'aubage périphérique 23, et dont le résultat est la formation d'un vortex Vs concentrique au vortex Vr, créé par le rotor 1, et de préférence de même sens. Figures 3 and 5 show the deviation which is printed on the air streams striking the stator 17 of the wind turbine under the effect of the divergent ferrule 18 and the peripheral vane 23, and the result of which is the formation of 'a vortex Vs concentric with the vortex Vr, created by the rotor 1, and preferably in the same direction.

Pour réduire la surface de l'hélice qui est exposée à l'action du vent lorsque ce dernier est très violent et réduire ainsi a vitesse de rotation, il est possible, comme le montre la figure 6, de monter sur une ossature 31 disposée immédiatement en amont de l'hélice 1 des volets 32 qui sont chacun articulés autour d'un axe distinct 33 et sollicités dans une position légèrement in clinée, par un ressort de traction 36 taré de telle sorte que chaque volet tend à se soulever en pivotant autour de son axe 33, à l'encontre du ressort, lorsque le vent atteint une vitesse suffisamment élevée, ce qui occulte partiellement l'entrée d'air de l'éolienne. Dès que le vent faiblit les ressorts 36 ramènent les volets dans leur position initiale d'ouverture. Des butées 34 définissent la position extrême de fermeture. To reduce the area of the propeller which is exposed to the action of the wind when the latter is very violent and thus reduce the speed of rotation, it is possible, as shown in Figure 6, to mount on a frame 31 immediately disposed upstream of the propeller 1 of the flaps 32 which are each articulated around a separate axis 33 and urged in a slightly inclined position, by a tension spring 36 calibrated so that each flap tends to lift by pivoting around of its axis 33, against the spring, when the wind reaches a sufficiently high speed, which partially obscures the air intake of the wind turbine. As soon as the wind weakens the springs 36 return the flaps to their initial open position. Stops 34 define the extreme closed position.

Le tarage des ressorts 36 peut varier d'un ressort à L'autre de telle manière que la fermeture des volets respectifs se produise pour des vitesses de vent diffé- rentes, par exemple 15, 25 et 35 m/s. The setting of the springs 36 can vary from one spring to another in such a way that the closing of the respective flaps occurs for different wind speeds, for example 15, 25 and 35 m / s.

A la figure 1 a été représenté symboliquement en 20 un ensemble comprenant un train d'engrenages multiplicateur entraîné à partir de l'arbre 2 et une gen6- oratrice de courant electrique. In FIG. 1 has been represented symbolically in an assembly comprising a train of multiplying gears driven from the shaft 2 and a generator of electric current.

Dans l'exemple de la figure 7 les aubes 123 sont constituées par des segments de cylindre, à la place des segments de tronc de cône prévus aux autres figures. In the example of FIG. 7, the blades 123 are constituted by cylinder segments, in place of the frustoconical segments provided for in the other figures.

La figure 8 montre qu'il est possible de remplacer les aubes pleines 23 ou 123 par des aubes 223 à fentes 38, qui ont l'avantage d'éviter le décollement des filets d'air et la creation de tourbillons parasites. FIG. 8 shows that it is possible to replace the full vanes 23 or 123 with vanes 223 with slots 38, which have the advantage of preventing the separation of the air streams and the creation of parasitic vortices.

La virole divergente 18 et les aubes 23 ou 123 peuvent être fabriquées en métal ou en résine armée de tissu de verre. Ce dernier matériau, facilement obtenu sur des moules simples, paraît préférable au moins pour la réalisation des aubes, qui ont un profil courbe et une épaisseur variable. Si la dimension du rotor est relativement grande, on peut envisager la fabrication d'une aube et d'un tronçon de virole divergente réalisés en un seul moulage. Si le rotor a des dimensions plus modestes, la moitié, voire la totalité de la virole divergente et de l'aubage peuvent être moulés en une seule pièce. The divergent ferrule 18 and the blades 23 or 123 can be made of metal or of resin reinforced with glass cloth. The latter material, easily obtained on simple molds, seems preferable at least for the production of the blades, which have a curved profile and a variable thickness. If the dimension of the rotor is relatively large, it is possible to envisage the manufacture of a blade and a diverging ring section made in a single molding. If the rotor has smaller dimensions, half or even all of the divergent shell and the vane can be molded in one piece.

Claims

- CLAIMS

1 - Wind turbine comprising a rotor constituted by a propeller, integral with a horizontal shaft swiveling in a chassis, characterized in that on the chassis (4) is fixed around the propeller (1) a stator (17) comprising a ferrule (18) concentric with the shaft (2), on the external face of which are fixed uniformly spaced radial vanes (23, 123) having an orientation such that, when the propeller is rotated by the wind, they create a depression downstream of the propeller and that they impart to the air streams located around the propeller a rotational movement, or vortex (Vs), whose axis is approximately that of the shaft .

2 - Wind turbine according to claim 1, characterized in that the ferrule (18) has a divergent profile.

3 - Wind turbine according to one of claims 1 and 2, characterized in that the orientation of the blades (23) is such that the stator (17) creates a vortex (V5) concentric to the vortex (V) created by the rotor and in the same sense.

r

4 - Wind turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spacing (E) of the blades (23), at their birth on the ferrule (18), is of the same order of magnitude as the length (C ) of the corresponding arc string formed by each blade on the ferrule, between the extreme edges (18a, 18b) of the latter.

5 - Wind turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the blades (123) are constituted by cylinder segments.

6 - Wind turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the blades (23) consist of segments of truncated cone.

7 - Wind turbine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the radial dimension (L) of the blades (23, 123) is substantially equal to the radius (R) of the outer edge (18a) of the ferrule (18) .

8 - Wind turbine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the bowstring that forms each blade (23, 123) at its birth on the ferrule (18) made, with the longitudinal axis (XX ), an angle (tO between approximately 30 and 600.

9 - Wind turbine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the blades (23, 123) are interconnected by a crown (24) fixed to the free end of each of the blades.

10 - Wind turbine according to one of claims 1 to 9, whose chassis is rotatably mounted about a vertical axis on a rigid support, characterized in that the rotor (1) is offset horizontally relative to the vertical axis pivot (6), so that it is clearly downstream of its support (12)

11 - Wind turbine according to claim 10, characterized in that bracing means (14,16,26) are provided on the rotary frame, between the stator (17) and the pivot axis (6).

12 - Wind turbine according to leune of claims 1 to 11, characterized in that, immediately upstream of the propeller (1), is disposed a frame (31) on which are hinged flaps (32) subjected to the action springs (36).

13 - Wind turbine according to one of claims 1 to 12, characterized in that the blades (23, 123) and the ferrule (18) are made of glass fibers agglomerated by a resin.

14 - Wind turbine according to one of claims 1 to 13, characterized in that the shaft (2) of the propeller (1) rotates a generator of electric current (20) via a train of 'multiplier gears.

15 - Wind turbine according to one of claims 1 to 14, characterized in that the blades (23, 123) are constituted by segments of surface of revolution which are delimited by two rectilinear generators (28, 29) corresponding to an arc, measured around the axis of revolution, the amplitude of which is little different from 900 but less than this value.