FR2811030A1 - Turbomachine a aubage epais aspire - Google Patents

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Abstract

Dispositif pour récupérer l'énergie d'un fluide, canalisé ou libre, sur un arbre moteur, à partir d'un ou plusieurs aubages, de fortes épaisseurs, avec contrôle de la couche limite par aspiration, avec ou sans volet d'inversion du sens de la portance sur les aubes, les aubages étant parallèles à l'arbre de rotation. La portance et la traînée provoquées par l'écoulement relatif du fluide sur le profil, génèrent une force motrice qui transmet un couple à l'arbre.Cette turbomachine pourra donc être centrifuge, centripète ou les 2, à aspiration naturelle ou forcée. Le flux d'aspiration pourra servir au refroidissement, et/ ou au démarrage et/ ou à la force motrice.Si le fluide est canalisé dans une conduite fixe (distributeur), il s'agira d'une turbine. Le cas échéant, si elle est située dans un écoulement libre, il s'agira d'une éolienne.

Description

La présente invention concerne un dispositif pour récupérer l'énergie d'un
fluide, canalisé ou libre, sur un arbre moteur (1), à partir d'un ou plusieurs aubages (2), de fortes épaisseurs, avec contrôle de la couche limite par aspiration (3), avec ou sans volet (4) d'inversion de la portance au cours d'une rotation, les aubages étant parallèles à l'arbre de rotation (fig. 1). La portance (5) et la traînée (6) de l'écoulement relatif (W) du fluide sur le profil génère une force motrice (7) qui transmet un couple à l'arbre (1). Cette turbomachine pourra donc être centrifuge, centripète ou les 2, à aspiration naturelle (12) ou forcée (8) . Le flux d'aspiration pourra servir au refroidissement, et/ou au démarrage et/ou à la force motrice. Si le fluide est canalisé dans une conduite fixe (distributeur (11)), il s'agira d'une turbine (fig. 2). Le cas échéant, si elle est située dans un écoulement libre, il
s'agira d'une éolienne (fig. 3).
A/Turbine Nl s'agit d'une turbine mono ou multi-étages radiale, centripète (fig. 2) ou centrifuge à profils d'ailes épaisses, aspirées (13) et/ou refroidies par centrifugation et
pression dynamique de rotation.
Les turbines actuelles radiales ou axiales présentent des limitations techniques.
La plage d'utilisation correcte (rendement) est faible (+/-8 o d'incidence) du fait de l'adaptation du triangle des vitesses et de la géométrie des aubages fixes et mobiles à la vitesse de rotation (décrochage aérodynamique). Les systèmes à distributeur de géométrie variable sont coûteux et la température des organes mécaniques augmente leur complexité technique et leur fiabilité. Les limites techniques et géométriques des aubages actuels n'autorisent pas un équivalent Cz > 4. L'augmentation du débit par l'augmentation du diamètre, génère des limites et des pertes importantes du fait des fortes vitesses périphériques, augmente le vrillage de l'aube et nécessite souvent de faire cohabiter un écoulement supersonique et un écoulement subsonique. Le fluage et autres déformations sous contraintes rendent difficile la maîtrise des étanchéités autour des aubes. Tous ces éléments associés aux systèmes de plus en plus complexes de
refroidissement rendent la fabrication des aubes plus difficiles et coûteuses.
La présente turbine (fig. 2) permet un domaine d'adaptation de fonctionnement >45 d'incidence (a) sans aucune pièce en mouvement (soit presque 3 x plus qu'une turbine classique). L'augmentation du débit peut se faire, soit par augmentation du diamètre (D) avec les mêmes inconvénients que les turbines axiales classiques, soit par
augmentation de la longueur (L), donc indépendamment de la vitesse périphérique (U).
Le Cz d'un profil épais aspiré peut être > 6. L'aubage étant reculé dans la zone du diamètre maximum (D), le couple et la puissance sont maximums. D'autre part le rendement global et le couple sont pratiquement constant jusqu'à la valeur de puissance maximale. La géométrie de l'aubage est simplifiée, sa compacité, l'absence d'arête de faible rayon et le flux d'aspiration utilisé en refroidissement, lui conferent, une grande
rigidité mécanique, une grande résistance à la fatigue et une meilleure tenue thermique.
L'étanchéité entre les parties fixes et les parties mobiles est simplifiée car elle se fait sur les disques extérieurs et non sur les aubes susceptibles de fluage et autres déformations sous contraintes. L'ensemble de ces éléments concourent à une diminution des coûts de fabrication de la turbine et d'entretien de la machine, ainsi qu'à une simplification de leur adaptation avec d'autres composants dans une plage de fonctionnement performant étendue. B/ Eolienne il s'agit d'une éolienne à axe vertical (fig. 3)dont le capteur est constitué d'une ou de plusieurs ailes épaisses aspirées (14) munies de volets (15) capables d'inverser le sens relatif de la portance sur l'aubage au cours du cycle de rotation (16). Un système de capteur du sens du vent et un système de commande permettent d'orienter l'aile au cours du cycle en fonction de l'orientation du vent. La vitesse de vent relatif (W), qui contribue à la portance, est la somme vectorielle du vent (V) et de la vitesse périphérique des aubages (U) et varie au cours d'un cycle de rotation. L'optimisation de la force motrice pour chaque angle de rotation (co) est obtenue, par le réglage de l'angle d'incidence de l'aile, par le réglage de la position du volet et par le débit d'air aspiré en fonction de la portance, de la traînée du profil et éventuellement des forces de propulsion
du jet du flux d'aspiration.
Les éoliennes actuelles présentent les limites suivantes: Les grandes éoliennes modernes à axe horizontal sont limitées par le poids de la nacelle qu'il faut hisser en haut du mât. L'adjonction d'un réducteur de vitesse, d'un frein ou d'un système à pas variable, augmente encore ce poids. Ce poids impose un système de construction, de montage et de maintenance coûteux. Leur taille est limitée et
elle génère du bruit (U/V entre 5 et 10).
Les capteurs éoliens à axe vertical présentent des cinématiques de pas variable complexes, des difficultés de démarrage et des rendements énergétiques plus faibles que
les éoliennes à axe horizontal.
La présente éolienne remédie à ces différents inconvénients:
- La conception est simple et rigide.
- Elle offre la possibilité de capter le vent dans toutes les directions avec un rendement
identique aux capteurs à hélice horizontale (limite de Betz).
- Le récepteur (alternateur, pompe, boite de vitesse, etc...) est au sol (pas de pièces
lourdes en hauteur).
- Le centre de gravité étant abaissé, simplification d'adaptation pour installation
embarquée en mer.
- Le démarrage peut être obtenu par jet (propulsion) de l'aspiration (pas d'auxiliaire).
- Possibilité de très grande taille.
- Possibilité de dissymétrie entre la largeur et la hauteur (Vitesse plus élevée du Vent
en altitude).
- Faible niveau de bruit (UN/V pour puissance maximale = 2).
- Possibilité de fonctionnement pour une grande variation de vitesses de vents.
- Possibilité de fonctionnement par très grand vent (solidité).

Claims (4)

REVENDICATIONS
1/ Dispositif pour récupérer l'énergie d'un fluide, canalisé ou libre, sur un arbre moteur à partir d'un ou plusieurs aubages, caractérisés par un profil de forte épaisseur avec contrôle de la couche limite par aspiration, avec ou sans volet d'inversion de la
portance, les aubages étant parallèles à l'arbre moteur.
2/ Dispositif pour récupérer l'énergie selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'aubage est refroidi par la centrifugation d'un fluide caloporteur dépendant ou
indépendamment du système d'aspiration de la couche limite.
3/ Dispositif pour récupérer l'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force de propulsion générée par le jet du flux d'aspiration, serve de démarrage
et/ou d'aide au démarrage et/ou de supplément de force motrice.
4/ Dispositif pour récupérer l'énergie selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la force motrice est optimisée en fonction de la vitesse relative de l'écoulement par réglage de l'incidence de l'aubage et/ou par la position du volet et/ou par le débit
d'air aspiré.
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