FR2924182A1

FR2924182A1 - WIND ENGINE WITH ORIENTABLE BLADES

Info

Publication number: FR2924182A1
Application number: FR0801994A
Authority: FR
Inventors: Patrick Marie Etienne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-05-29
Also published as: FR2924180A1

Abstract

L'invention concerne un moteur éolien d'axe de rotation A perpendiculaire à la direction du vent, muni d'un dispositif orientant, de façon optimale et indépendante, les pales p, parallèles à A, du moteur en fonction de la direction du vent, afin de capter le maximum d'énergie. Les pales pivotent chacune autour de l'axe a passant à peu près, par le centre de poussée de leurs sections respectives. Chaque pale est reliée à une came Ca par une bielle b et un tirant Tr porteur de galets ou patins g glissant sur cette came. Cette dernière permet que l'angle i formé par la pale et le vent apparent soit celui pour lequel la somme des couples des forces de portance et de trainée propres au profil des pales est maxinnale. La came Ca s'oriente au vent afin que les pales conservent des orientations optimales à la production d'énergie.Le Moteur éolien suivant l'invention, est destiné à récupérer l'énergie éolienne avec un très bon rendement.The invention relates to a wind turbine engine having a rotation axis A perpendicular to the wind direction, provided with a device that optimally and independently guides the blades p, parallel to A, of the engine as a function of the wind direction. , in order to capture the maximum energy. The blades each pivot about the axis passing roughly, by the center of thrust of their respective sections. Each blade is connected to a cam Ca by a connecting rod b and a puller Tr carrying rollers or skids g sliding on this cam. The latter allows the angle i formed by the blade and the apparent wind is that for which the sum of the torque of the lift and drag forces specific to the profile of the blades is maxinnale. The cam Ca is oriented to the wind so that the blades retain optimal orientations to the production of energy. The wind engine according to the invention is intended to recover wind energy with a very good performance.

Description

-1- La présente invention concerne un moteur éolien dont les pales sont parallèles à son axe de rotation, ce dernier étant perpendiculaire à la direction du vent. The present invention relates to a wind engine whose blades are parallel to its axis of rotation, the latter being perpendicular to the wind direction.

Généralement, ce type de moteur est constitué de plusieurs pales réparties autour de l'axe de la machine. La rotation de l'ensemble est due à la forme des pales dont la section présente une face possédant une plus grande résistance à l'écoulement de l'air que l'autre. Generally, this type of motor consists of several blades distributed around the axis of the machine. The rotation of the assembly is due to the shape of the blades whose section has one face having a greater resistance to the flow of air than the other.

Le rendement de telles machines reste faible. Par contre, elles fonctionnent quel que soit le sens du vent. D'autres systèmes existants permettent d'orienter des pales durant la rotation de la machine en les faisant pivoter sur elles-mêmes afin de présenter au vent le maximum de surface lorsqu'elles se trouvent du côté portant et le minimum du côté remontant au vent. Cette orientation est réalisée à l'aide de liaisons mécaniques par chaînes, courroies ou engrenages. Ces liaisons mécaniques limitent le nombre de pales. D'autre part, elles relient les orientations de chaque pale les unes aux autres et ne permettent donc pas d'orienter au mieux, chacune des pales indépendamment les unes des autres en fonction de leurs positions respectives autour de l'axe du moteur éolien. Un autre inconvénient de ces systèmes tient au fait que la vitesse linéaire de déplacement des pales ne peut être supérieure à la vitesse 25 du vent. Le rendement de ces machines n'est donc pas optimal. The yield of such machines remains low. By cons, they work regardless of the direction of the wind. Other existing systems are used to orient blades during the rotation of the machine by rotating them on themselves in order to have the maximum surface wind when they are on the bearing side and the minimum on the upwind side . This orientation is carried out using mechanical links by chains, belts or gears. These mechanical links limit the number of blades. On the other hand, they connect the orientations of each blade to each other and therefore do not allow to guide the best, each of the blades independently of each other according to their respective positions around the axis of the wind engine. Another disadvantage of these systems is that the linear speed of blade movement can not be greater than the wind speed. The efficiency of these machines is not optimal.

La figure 1 montre une pale en coupe soumise à l'action du vent. Figure 1 shows a sectional blade subjected to the action of the wind.

30 Cette figure 1 est un rappel des principes aérodynamiques à appliquer à une pale soumise à l'action du vent. Chaque profil de pale possède des paramètres de pénétration dans l'air Cz et Cx spécifiques. Ceux-ci sont déterminés en soufflerie ou par calcul et permettent de déterminer l'angle d'incidence optimal i pour lequel la somme des 35 couples des forces de portance et de traînée, dépendantes de Cz et Cx, est maximale. La pale doit donc être orientée par rapport à la direction du vent apparent Va suivant cette valeur d'angle i. Le vent apparent étant la résultante vectorielle du vent Vp dû au déplacement de la pale, pour 40 un observateur embarqué sur cette pale, et du vent réel Vv. La présente invention est le système permettant d'orienter chacune des pales du moteur éolien suivant cet angle i, sur la majeure partie du cercle de diamètre D, sur lequel les pales se déplacent et ce, alors que le vent apparent varie en orientation et intensité tout au long de ce 45 cercle (voir la figure 2). Ainsi donc, la surface à prendre en compte pour le calcul de la puissance de tels moteurs éoliens est celle du cylindre sur lequel les 2924182 -2- pales se déplacent, égale à 3,14 x D x H (H étant la longueur des pales). This FIG. 1 is a reminder of the aerodynamic principles to be applied to a blade subjected to the action of the wind. Each blade profile has specific air entering parameters Cz and Cx. These are determined in the wind tunnel or by calculation and make it possible to determine the optimum angle of incidence i for which the sum of the pairs of lift and drag forces, dependent on Cz and Cx, is maximum. The blade must therefore be oriented relative to the apparent wind direction Va following this angle value i. The apparent wind being the vector resultant of the wind Vp due to the displacement of the blade, for 40 an observer on board this blade, and the actual wind Vv. The present invention is the system for orienting each of the blades of the wind turbine motor at this angle i, over most of the circle of diameter D, on which the blades move, while the apparent wind varies in orientation and intensity. throughout this 45 circle (see Figure 2). Thus, the surface to be taken into account for calculating the power of such wind engines is that of the cylinder on which the blades move, equal to 3.14 x D x H (H being the length of the blades ).

Le moteur éolien suivant l'invention, sera équipé d'au minimum 2 5 pales. The wind engine according to the invention will be equipped with at least 25 blades.

Les figures 2, 3, 4 el: 6 sont des vues, en bout de pales, schématiques du moteur éolien selon l'invention. Sur ces vues, le sens de rotation du moteur éolien est le sens 10 trigonométrique. Ce choix est arbitraire, le sens de rotation pouvant être horaire. Figures 2, 3, 4 and 6 are views at the end of blades, schematic of the wind engine according to the invention. In these views, the direction of rotation of the wind motor is the trigonometric sense. This choice is arbitrary, the direction of rotation being hourly.

La figure 2 fait apparaître 2 zones autour de l'axe de rotation A du rnoteur éolien. Une zone Aval Zav à A (suivant le sens du vent) où 15 les pales se déplacent de droite à gauche et donc, où l'angle i est négatif (sens horaire), une zone Amont Zam à A où les pales se déplacent de gauche à droite et donc, où l'angle i est positif (sens trigonométrique), l'angle i prenant la valeur zéro à chacune des deux jonctions des ces zones. 20 La figure 3 présente le moteur éolien selon l'invention, qui dispose d'au moins deux pales p réparties de façon équidistante autour de l'axe de rotation A de la machine, et qui, elles-mêmes, tournent chacune autour de l'axe a, parallèle à A, passant approximativement par le centre de poussée de leur section. Le centre de poussée d'un profil étant, pour mémoire, le point d'application de la résultante des forces de portance et de traînée. Ces axes a se déplacent sur un cercle de diamètre D dont le centre est l'axe A. Une bielle b relie une des extrémités d'une pale p à un tirant Tr qui peut translater dans un coulisseau c. Ce tirant est équipé à son autre extrémité, d'un système de galets ou patins roulant ou glissant dans la came Ca. C'est cette came qui permet l'orientation optimale des pales. Ce système de renvoi, composé de la bielle b et du tirant Tr, relie chaque pale p à la came Ca. Ceci permet de réduire au maximum les 3.5 dimensions de celle-ci, d'en réduire le coût, le poids et l'inertie et aussi de diminuer la vitesse des galets ou patins g sur la came Ca. Chaque bras bs, tournant autour de A, supporte un coulisseau c et une pale p au niveau de son axe a. Figure 2 shows 2 zones around the axis of rotation A of the wind turbine. A downstream zone Zav to A (according to the direction of the wind) where the blades move from right to left and hence, where the angle i is negative (clockwise), a Upstream zone Zam to A where the blades move from left to right and therefore, where the angle i is positive (trigonometric direction), the angle i taking the value zero at each of the two junctions of these zones. FIG. 3 shows the wind engine according to the invention, which has at least two blades p distributed equidistantly around the axis of rotation A of the machine, and which, in turn, each turn around the axis a, parallel to A, passing approximately through the center of thrust of their section. The center of push of a profile being, for memory, the point of application of the resultant forces of lift and drag. These axes move on a circle of diameter D whose center is the axis A. A connecting rod b connects one end of a blade p to a tie rod Tr which can translate in a slide c. This tie is equipped at its other end, a system of rollers or skates rolling or sliding in the cam Ca. It is this cam that allows the optimal orientation of the blades. This system of reference, composed of the connecting rod b and the tie rod Tr, connects each blade p to the cam Ca. This makes it possible to reduce as much as possible the 3.5 dimensions of this one, to reduce the cost, the weight and the inertia and also to decrease the speed of the rollers or pads g on the cam Ca. Each arm bs, rotating around A, supports a slider c and a blade p at its axis a.

40 La figure 4 présente les différentes positions des bielles b, des tirants Tr et donc des galets ou patins g suivant les orientations voulues des pales p tous les 30°. On obtient donc ainsi le dessin de la came Ca. FIG. 4 shows the different positions of the connecting rods b, of the tie rods Tr and thus of the rollers or shoes g according to the desired orientations of the blades p every 30 °. We thus obtain the design of the cam Ca.

45 La figure 5 est une vue en coupe schématique du moteur éolien, dont l'axe A est dans ce cas VERTICAL, faisant apparaître le fût de l'éolienne dans lequel, à titre d'exemple, une ligne d'arbre ramène l'énergie captée au pied de ce fût. FIG. 5 is a diagrammatic sectional view of the Aeolian engine, whose axis A is in this case VERTICAL, showing the shaft of the wind turbine in which, for example, a shaft line brings the energy captured at the foot of this shaft.

L'on voit que la came Ca est supportée par un plateau Pc porte came, qui est libre en rotation autour de l'axe A de l'éolienne et qui s'oriente par rapport à la direction du vent, afin que les pales conservent leurs orientations optimales à la captation de l'énergie du vent. L'orientation de ce plateau peut être assurée par : une dérive. - manuellement. à l'aide d'un système automatique asservi à la direction du vent, analogue à ceux des gros moteurs éoliens existants. It can be seen that the cam Ca is supported by a plate Pc door cam, which is free in rotation about the axis A of the wind turbine and which is oriented with respect to the direction of the wind, so that the blades retain their optimal orientations to the capture of wind energy. The orientation of this plateau can be ensured by: a drift. - manually. using an automatic wind direction system, similar to the existing large wind engines.

Les dimensions et l'inertie de la came étant réduites au maximum, l'orientation de celle-ci n'est pas soumise à des efforts ni a un couple gyroscopique important, comme c'est le cas pour une éolienne à axe horizontal classique. Elle est donc, de ce fait, d'une grande réactivité. The dimensions and the inertia of the cam being reduced to the maximum, the orientation thereof is not subjected to forces or a large gyroscopic torque, as is the case for a conventional horizontal axis wind turbine. It is therefore, of a great reactivity.

La régulation de la vitesse de rotation et l'arrêt du moteur éolien sont assurés par des orientations de la came Ca, autres que 20 l'orientation optimale. Speed control and stopping of the wind motor are provided by cam orientations Ca, other than the optimum orientation.

ILa figure 6 montre qu'en tournant la came d'environ 90°, la somme des couples des forces utiles à la rotation du rotor devient nulle. Ainsi donc, l'éolienne s'immobilise. 25 Dans le cas d'un axe A HORIZONTAL, le plateau Pc porte came ne tourne pas autour de cet axe. Il est orienté de façon optimum par rapport au vent qui se déplace horizontalement. C'est l'ensemble du moteur éolien qui tourne autour de l'axe vertical du fût de l'éolienne 30 afin de s'orienter dans le vent: par un des trois systèmes énoncés ci-dessus afin que l'axe de rotation A reste perpendiculaire au vent. FIG. 6 shows that by turning the cam about 90 °, the sum of the torques of the forces useful for rotor rotation becomes zero. Thus, the wind turbine stops. In the case of a HORIZONTAL axis A, the cam holder plate Pc does not rotate around this axis. It is oriented optimally with respect to the wind that moves horizontally. It is the whole of the wind engine which turns around the vertical axis of the shaft of the wind turbine 30 in order to orient itself in the wind: by one of the three systems stated above so that the axis of rotation A stay perpendicular to the wind.

[)ans ce cas encore, l'arrêt du moteur éolien est obtenu lorsque qu'on le fait tourner de 90° afin que son axe A et donc aussi les pales 35 soient parallèles au vent et donc en drapeau . In this case again, the stopping of the wind engine is obtained when it is rotated by 90 ° so that its axis A and thus also the blades 35 are parallel to the wind and thus in flag.

Ces moteurs éoliens sont destinés à fournir de l'énergie mécanique qui pourra être utilisée comme telle ou bien transformée en électricité ou encore utilisée pour le pompage, la compression de fluide etc....These wind engines are intended to provide mechanical energy that can be used as such or transformed into electricity or used for pumping, fluid compression, etc.

40 Ces machines pourront être de toutes tailles. 45 40 These machines can be of any size. 45

Claims

1) A wind engine whose axis of rotation A is perpendicular to the wind direction, comprising at least two blades p characterized in that said blades p pivot about the axis a parallel to A, passing approximately through the center of thrust of their section, independently of each other, so as to obtain an optimal orientation between the blade and the direction of the apparent wind Go over most of the circle of diameter D on which the blades move, in order to capture the maximum of energy.

2) A wind engine according to claim 1, characterized in that this optimum orientation is obtained when the angle between the blade and the apparent wind direction is equal to the angle of incidence i for which the sum of the forces couples The lift and drag characteristics of the blade profile are maximum. These forces are determined by calculation or wind tunnel.

3) Device according to claim 2, characterized in that the pivoting of the blades about their respective axes a is obtained by the use of rollers, fingers or guide pads flowing in a cam Ca.

4) Device according to claim 3, characterized in that in the case of a VERTICAL axis A, the cam plate P is free to rotate about the axis of rotation A of the wind engine and is oriented with respect to the direction of the wind, so that the blades maintain their optimal orientations to the capture of wind energy.

5) Device according to claim 3, characterized in that the connection between the blades and the cam rollers or pads is formed by tie rods and rods, in order to minimize the size of the cam and thereby to reduce the cost, the inertia and the speed of displacement of the rollers or pads on the cam.

6) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the regulation of the rotational speed and the stopping of the wind motor are provided by cam orientations other than the optimal orientation.

7) Device according to claim 3, characterized in that in the case of a HORIZONTAL axis A, the cam plate P is oriented so that the blades retain their optimal orientations to the capture of wind energy, the horizontally moving in most cases and that it is the whole of the wind motor which turns around the vertical axis of the wind turbine shaft, so that the axis A and thus the axes has p blades remain perpenclicular to the wind direction. 5

8) Device according to claims 1, 2, 3, 5 and 7, characterized in that the regulation of the speed of rotation and the stopping of the wind engine are provided by orientations of the axis A and thus blades p other than the optimal orientation which is perpendicular to the wind direction.