FR2832465A1 - Diffuseur statique pour eolienne - Google Patents
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Abstract
Diffuseur statique pour éolienne de grande dimension montée sur un mât vertical (2) et comportant une hélice (3) équipée de pales hélicoïdales (5) inclinées vers l'amont portées par un moyeu (4) d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur équipé d'un rotor magnétique fixé au moyeu (4) et d'un stator fixé à un châssis fixe (6), ce diffuseur étant constitué par un élément circulaire fixe (7) monté sur des bras (8) solidaires du châssis (6) et comportant un bord d'attaque arrondi (10) suivi d'une carêne épaisse (11) et d'un bord de fuite mince divergent (12), caractérisé en ce qu'il est constitué d'une peau (14) en une membrane textile tendue de très faible densité associée à une ossature interne rigide (15) supportant les efforts et permettant de tendre la membrane et de la mettre en forme.
Description
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L'invention concerne un diffuseur statique pour une éolienne, en particulier une éolienne de grande dimension montée sur un mât vertical et comportant une hélice actionnée par le vent, ainsi qu'un alternateur coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique.
Les spécialistes cherchent depuis longtemps à récupérer l'énergie éolienne qui a l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas engendrer de pollution thermique ou chimique et parallèlement d'être inépuisable.
Ces avantages sont toutefois compensés par une série d'inconvénients en particulier liés au caractère dispersé et intermittent du vent ; il est en outre bien connu que les parcs d'éoliennes consomment beaucoup d'espace et ne fonctionnent pas sans nuisances sonores.
De plus, les éoliennes actuellement utilisées sont le plus souvent équipées d'hélices à pales radiales et à axe horizontal analogues à celles permettant la propulsion d'avions, mais en règle générale beaucoup plus grandes. De telles hélices coopèrent classiquement avec des dynamos ou des alternateurs industriels avec des entraînements multiplicateurs de vitesse, ce qui les rend lourdes, coûteuses et de faible rendement.
Ces inconvénients font que le marché des éoliennes n'a pas connu ces dernières années l'essor auquel on aurait pu s'attendre et que les perspectives de développement dans ce domaine sont aujourd'hui très larges.
Pour remédier à ces inconvénients, on a récemment proposé conformément au document FR-2 793 528 une éolienne plus robuste, moins encombrante à puissance égale et moins bruyante que les éoliennes proposées auparavant.
Une telle éolienne est montée sur un mât vertical et comporte une hélice actionnée par le vent qui est équipée de pales hélicoïdales inclinées vers l'amont portées par un moyeu d'axe horizontal ainsi qu'un alternateur coopérant avec l'hélice pour fournir de l'énergie électrique et qui est équipé d'un rotor magnétique fixé au moyeu et d'un stator à bobines magnétiques adjacent au rotor et fixé à un châssis fixe.
Cette éolienne est en outre équipée d'un diffuseur statique constitué d'une part par un élément circulaire fixe de longueur relativement faible monté concentriquement au moyeu sur des bras solidaires du châssis et coopérant à faible jeu avec les extrémités des pales, et comportant d'autre part un bord d'attaque arrondi suivi d'une carène épaisse et d'un bord de fuite mince divergent.
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De nombreux essais réalisés en soufflerie ont permis de prouver que cette éolienne possède des caractéristiques aérodynamiques très supérieures à celles des éoliennes classiques antérieures.
Cette situation est consécutive au profil optimisé des pales du rotor et à la présence du diffuseur divergent.
Un tel diffuseur est classiquement constitué d'une peau qui lui confère son profil et d'une structure interne de nature à absorber les efforts et à recevoir l'extrémité des bras de support permettant le centrage du diffuseur autour des pales de l'éolienne.
Dans le cas de petites éoliennes (jusqu'à quelques mètres de diamètre), on peut avoir recours à des solutions de chaudronnerie ou à des technologies classiques de fabrication et utiliser à titre d'exemple soit des peaux composites minces associées à un caisson interne à structure combinée mousse/verre époxy, soit des peaux épaisses rigides notamment en matière plastique, acier ou Duralumin servant aussi de structure.
Cependant, pour des éoliennes ayant des diamètres plus importants (pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de mètres) ces technologies classiques sont exclues : en effet, des peaux en acier d'une épaisseur de 1 à 2 mm engendreraient une masse beaucoup trop importante et un coût trop élevé, et nécessiteraient néanmoins la présence d'une structure interne conséquente et rigide.
Il n'est pas plus envisageable pour des raisons économiques de réaliser un diffuseur en matériau composite vu que les coûts de l'outillage et des matières premières atteindraient des proportions trop importantes.
Par suite, les solutions connues ne peuvent pas être transposées à la réalisation de diffuseurs statiques pour des éoliennes de grande dimension du type susmentionné car elles ne seraient pas viables à l'échelle industrielle.
Or, on n'a jusqu'à présent jamais proposé de technologies permettant de limiter le poids et le coût de tels diffuseurs.
La présente invention a pour objet de combler cette lacune.
A cet effet, elle concerne un diffuseur statique pour une éolienne en particulier une éolienne de grande dimension du type susmentionné caractérisé en ce qu'il est constitué d'une peau en une membrane textile tendue de très faible densité associée à une ossature interne rigide supportant les efforts et permettant de tendre la membrane textile et de la mettre en forme.
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Cette membrane textile a de préférence une densité de l'ordre de 1 kg/m.
La mise en oeuvre d'une telle membrane textile s'avère particulièrement avantageuse : en effet il existe actuellement sur le marché des membranes de ce type ayant des propriétés mécaniques élevées, une bonne résistance au rayonnement UV et une bonne tenue aux intempéries ; de plus, les fabricants proposent des facilités de maintenance en cas de déchirure.
Il est en outre à noter que la tension de cette membrane textile, qui est réalisée par l'ossature interne peut être réglable dans le temps pour compenser d'éventuels phénomènes de fluage des matériaux.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la membrane textile est équipée d'un lattis permettant de la renforcer en particulier dans sa zone située à proximité des pales.
Sur tout le profil du diffuseur, c'est-à-dire sur les surfaces interne et externe de celui-ci, il peut se produire localement selon la direction principale du vent par rapport à l'axe de rotation des pales des dépressions importantes pouvant décoller la membrane textile de l'ossature interne.
Or, il est essentiel que ce phénomène ne se produise pas dans la zone située à proximité des pales afin d'éviter tout risque de déchirure.
Pour cette raison, il est impératif de prévoir à ce niveau soit un lattis de renforcement soit des moyens de fixation de la membrane textile sur l'ossature interne.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ossature rigide comporte une série de nervures rayonnantes identiques, refermées sur elles-mêmes en une courbe plane ayant un contour en forme d'aile correspondant au profil du diffuseur et matérialisant les surfaces interne et externe de celui-ci.
Ces nervures rayonnantes peuvent avantageusement être réalisées en un métal tel que l'acier ou l'aluminium ou encore en bois ou en un matériau composite.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ossature rigide comporte également une série de membrures périphériques permettant la liaison des nervures rayonnantes et le cas échéant une série d'éléments raidisseurs permettant de maintenir constante l'épaisseur du profil du diffuseur.
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Ces membrures et ces éléments raidisseurs peuvent être réalisés en des matériaux similaires aux matériaux constitutifs des nervures rayonnantes.
Selon une première variante de l'invention, les nervures rayonnantes ainsi que les membrures périphériques sont constituées par des tubes en acier.
Selon cette variante, les membrures périphériques voisines peuvent avantageusement être reliées par des éléments raidisseurs constitués par des profilés en acier situés dans le plan des nervures rayonnantes le long des faces interne et externe du diffuseur et/ou transversalement à celles-ci.
Des tiges en acier annexes ayant également une fonction de rigidification peuvent éventuellement relier les nervures rayonnantes parallèlement aux membrures périphériques.
Selon une seconde variante de l'invention, les nervures rayonnantes sont constituées par des profilés en aluminium ayant notamment une section en forme de Q tandis que les membrures périphériques sont constituées par des tubes en aluminium.
Selon cette variante, les différents tubes en aluminium constitutifs des membrures périphériques peuvent avantageusement être reliés entre aux par d'autres tubes en aluminium faisant office d'éléments raidisseurs.
Il est à noter que l'ossature correspondant à cette seconde variante est largement similaire à celle correspondant à la première variante de l'invention mais présente l'avantage d'avoir un poids réduit, de par la nature des matériaux utilisés.
Selon une troisième variante de l'invention, les nervures rayonnantes sont constituées par des profilés en bois, notamment en forme de T et les membrures périphériques sont constituées par des poutres en carbone, notamment de section rectangulaire reliées deux à deux par des âmes, notamment en contreplaqué de part et d'autre des nervures rayonnantes de façon à définir des longerons caissonnés.
Ces longerons caissonnés sont de préférence évidés à leur partie médiane de manière à limiter autant que possible le poids de l'ossature rigide, et en règle générale reliés deux à deux par des câbles réalisés en acier inoxydable.
Selon une quatrième variante de l'invention, les nervures rayonnantes sont constituées par des éléments notamment de section
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rectangulaire réalisés en un matériau composite lamellé-collé et les membrures périphériques sont constituées par des poutres, notamment de section rectangulaire réalisées en un matériau composite lamellé-collé reliées deux à deux de part et d'autres des nervures rayonnantes par une série d'anneaux rigidement fixés les uns aux autres et réalisés eux aussi en matériau composite lamellé collé.
Conformément à cette variante de l'invention, les faces interne et externe de chacune des nervures rayonnantes sont de préférence reliées par une série d'anneaux rigidement fixés les uns aux autres et réalisés en un matériau composite lamellé-collé faisant office d'éléments raidisseurs.
Il est également avantageux de prévoir des lamelles en bois annexes reliant les nervures rayonnantes parallèlement aux membrures périphériques.
Les caractéristiques du diffuseur statique pour éolienne qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne équipée d'un dif-
fuseur statique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe axiale partielle de cette éolienne, - la figure 3 est une vue en perspective partielle illustrant l'implantation du diffuseur statique, - la figure 4 est une vue axionométrique représentant un détail de l'ossature d'un diffuseur selon la première variante de l'invention, - la figure 5 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la seconde variante de l'invention, - la figure 6 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la troisième variante de l'invention, - la figure 7 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la quatrième variante de l'invention
Selon les figures 1 et 2, l'éolienne 1 est montée sur un mât vertical 2 et comporte une hélice 3 actionnée par le vent qui est équipée de pales hélicoïdales 5 inclinées vers l'amont.
fuseur statique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe axiale partielle de cette éolienne, - la figure 3 est une vue en perspective partielle illustrant l'implantation du diffuseur statique, - la figure 4 est une vue axionométrique représentant un détail de l'ossature d'un diffuseur selon la première variante de l'invention, - la figure 5 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la seconde variante de l'invention, - la figure 6 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la troisième variante de l'invention, - la figure 7 est une vue axionométrique similaire à la figure 4 mais re- présentant l'ossature d'un diffuseur selon la quatrième variante de l'invention
Selon les figures 1 et 2, l'éolienne 1 est montée sur un mât vertical 2 et comporte une hélice 3 actionnée par le vent qui est équipée de pales hélicoïdales 5 inclinées vers l'amont.
Les pales 5 sont portées par un moyeu 4 d'axe horizontal.
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L'éolienne 1 comporte également un alternateur non représenté sur les figures qui coopère avec l'hélice 3 pour fournir de l'énergie électrique.
Cet alternateur est équipé d'un rotor magnétique fixé au moyeu 4 et d'un stator à bobines magnétiques adjacent au rotor et fixé à un châssis fixe 6.
Le rotor et le stator ne sont pas représentés sur les figures.
L'éolienne est en outre équipée d'un diffuseur statique 7 constitué par un élément circulaire fixe de longueur relativement faible.
Ce diffuseur 7 est monté concentriquement au moyeu 4 sur des bras 8 solidaires du châssis 6 et coopère à faible jeu avec les extrémités 9 des pales 5.
Selon la figure 2, le diffuseur statique 7 a un profil aérodynamique et comporte un bord d'attaque arrondi 10 suivi d'une carène épaisse 11 et d'un bord de fuite mince divergeant 12.
Selon la figure 1, le bord de fuite divergeant 12 est soutenu par des goussets 13 répartis dans des plans radiaux.
Selon la figure 2, cette configuration permet de créer une divergence de l'écoulement d'air en aval du diffuseur selon les flèches F et F'.
La configuration du diffuseur statique qui fait l'objet de l'invention va maintenant être décrite en se référant aux figures 3 à 6.
Il est à noter que sur ces figures, les pales 6 de l'hélice 3 ne sont pas représentées mais sont simplement schématisées par leur axe XX'.
Selon la figure 3, le diffuseur 7 est constitué d'une peau 14 réalisée en une matière textile de très faible densité. Cette peau 14 est tendue sur une ossature rigide 15 permettant sa mise en forme et son centrage autour des pales 6.
L'ossature 15 est essentiellement constituée d'une part par une série de nervures rayonnantes 16 toutes identiques et d'autre part par une série de membrures périphériques 17 ayant pour fonction de permettre la liaison des nervures rayonnantes 16 et de recevoir l'extrémité des bras 8 sur lesquels est monté le diffuseur 7.
Selon la figure 3, les nervures rayonnantes 16 sont constituées par des éléments refermés sur eux-mêmes en une courbe plane ayant un contour en forme d'aile correspondant au profil du diffuseur 7 tel que représenté sur la figure 2.
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Ces nervures rayonnantes 16 matérialisent ainsi la surface interne 18 et la surface externe 19 du diffuseur 7.
Selon la figure 4, les nervures rayonnantes 161 ainsi que les membrures périphériques 171 sont constituées par des tubes en acier.
Les tubes constitutifs des membrures périphériques 171 sont reliés entre eux par différents éléments raidisseurs pour permettre de maintenir constante l'épaisseur du profil du diffuseur 7.
Selon la figure 4, ces éléments comportent des profilés en acier 20 situés dans les plans des nervures rayonnantes 161 ainsi que des câbles 21 réalisés en acier inoxydable qui sont situés transversalement à ces plans.
Ces différents éléments raidisseurs 20,21 coopèrent également avec des tiges en acier annexes 22 reliant les nervures rayonnantes 161 parallèlement aux membrures périphériques 171.
Selon la figure 5, les nervures rayonnantes 162 sont constituées par des profilés en aluminium ayant une section en forme de Q tandis que les membrures périphériques 172 sont constituées par des tubes en aluminium.
Les différents tubes 172 voisins sur la surface interne 18 ou sur la surface externe 19 du diffuseur 7 ou de part et d'autre des nervures rayonnantes 162 sont reliés par des tubes en aluminium 23 situés dans le plan des nervures rayonnantes 162 ou transversalement par rapport à celles-ci selon une configuration pyramidale de façon à permettre de rigidifier l'ossature interne 15 du diffuseur 7.
Selon la figure 6, les nervures rayonnantes 163 sont constituées par des profilés en bois en forme de T tandis que les membrures périphériques 173 sont constituées par des poutres en carbone de section rectangulaire.
Sauf aux extrémités avant et aval des nervures rayonnantes 163, les poutres 173 sont reliées deux à deux, de part et d'autre de ces nervures 163, par des âmes en contreplaqué 24 équipées d'évidements 25 à leur partie médiane.
Les poutres 173 et les âmes en contreplaqué 24 définissent ainsi des longerons caissonnés permettant de maintenir l'épaisseur du profil du diffuseur 7.
Selon la figure 6, les longerons caissonnés voisins sont reliés entre eux par des câbles de rigidification 26 disposés obliquement par rapport au plan des nervures rayonnantes 163.
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Selon la figure 7, les nervures rayonnantes 164 sont constituées par des éléments de section rectangulaire à base de bois réalisés en un matériau composite lamellé-collé tandis que les membrures périphériques 174 sont constituées par des poutres de section rectangulaire réalisées en un matériau similaire.
Les poutres 174 sont reliées deux à deux de part et d'autre des nervures rayonnantes 164 par une série d'anneaux 27 rigidement fixés les uns aux autres et réalisés eux aussi en un matériau composite lamellé collé.
Selon la figure 7, les faces interne 18 et externe 19 des nervures rayonnantes 164 sont par ailleurs reliées entre elles par une série d'anneaux 28 rigidement fixés les uns aux autres et réalisés eux aussi en un matériau composite lamellé-collé.
Ces anneaux 28 coopèrent par ailleurs avec des lamelles en bois 29 reliant les nervures rayonnantes 164 parallèlement aux membrures périphériques 174.
Il est à noter que conformément à cette configuration, les bras de fixation 8 ne sont pas directement fixés sur les membrures périphériques 174 au niveau de leurs extrémités externes 81, mais montés à ce niveau sur des plaques de fixation 30 elles-mêmes fixées sur les anneaux 27,28.
Claims (1)
10 ) Diffuseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les nervures rayonnantes (164) sont constituées par des éléments, notamment de section rectangulaire réalisés en un matériau composite lamellécollé et les membrures périphériques (174) sont constituées par des poutres, notamment de section rectangulaire réalisées en un matériau composite lamellé-collé reliées deux à deux de part et d'autre des nervures
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rayonnantes (164) par une série d'anneaux (27) rigidement fixés les uns aux autres et réalisés eux aussi en un matériau composite lamellé-collé.
11 ) Diffuseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les faces interne (18) et externe (19) de chacune des nervures rayonnantes (164) sont reliées par une série d'anneaux (28) rigidement fixés les uns aux autres et réalisés en un matériau composite lamellé-collé.
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