WO2014106765A1 - Turbine a aubes helicoidales - Google Patents

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WO2014106765A1
WO2014106765A1 PCT/IB2013/000011 IB2013000011W WO2014106765A1 WO 2014106765 A1 WO2014106765 A1 WO 2014106765A1 IB 2013000011 W IB2013000011 W IB 2013000011W WO 2014106765 A1 WO2014106765 A1 WO 2014106765A1
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vanes
helical
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Yvan PERRENOUD
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Perrenoud Yvan
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a helical blade turbine for the production of electricity.
  • Hydraulic energy is one of the so-called “green” forms of energy or
  • WO 2007/129049 discloses a turbine comprising a first rotor rotatably mounted about an axis of rotation extending transversely to the direction of the current and having a plurality of preferably helical blades and whose longitudinal axis is also transversal to the direction of the current.
  • the turbine also comprises a second rotor rotatably mounted about said axis of rotation and having a plurality of blades preferably helical and whose longitudinal axis is also transverse to the direction of the current.
  • the first rotor is arranged to rotate in a first direction under the action of the current and the second rotor is arranged to rotate in a second direction opposite to the first.
  • the blades of the second rotor are arranged so that the blades of the first rotor rotate within the space defined by the vanes of the second rotor.
  • This turbine must be positioned so that its longitudinal axis is transverse to the current.
  • a turbine placed transversally to the current generates a lot of disturbances.
  • it is necessary to a turbine placed transversely to the current not only a large current but a rapid discharge of the fluid downstream, that is to say, a sufficient slope of the fluid conduit to recreate the necessary current.
  • its blades are efficient especially when they perform their half circle, seen in profile, in the direction of the current. When they make their second half circle, while going up the current, they are less powerful whatever the shape of their profile because they work in a flow disturbed by the dawn located upstream and which precedes them with respect to the direction of rotation.
  • This turbine can be maintained at the surface of the flow, half-immersed. In this position, the efficiency of the turbine is reduced by the disturbances of the flow located near its surface and the blades work only half of their complete rotation.
  • the transverse position of such a turbine also implies a large infrastructure of concrete channeling the entire flow between the attachment points of the helical blades at their ends. Spaces left between the rotary bases of the blades (rotors) and the sides of the channel would reduce the productivity of the turbine.
  • the turbine described by WO 2007/129049 can not be positioned parallel to the current because the bases of the helical blades (rotors) are flat. Their entire surface would be in a position transverse to the current. Even truncated more and more outwardly, between the attachment points with the helical blades ( Figure 2 and 3 of WO 2007/129049), the bases would cause large disturbances of the flow downstream of their positions and reduce the turbine productivity at little thing.
  • the object of the present invention is to provide a turbine for producing electricity in a non-polluting manner, which is effective in low, medium or high currents and which requires only a small infrastructure that induces only one impact. minimal on the environment, especially on fauna and flora as well as on human activities.
  • the present invention relates to a turbine according to claim 1.
  • Figures 1 and 2 are side views of a turbine according to the invention immersed at sea.
  • Figure 3 is a front view of a turbine according to the invention located in a river or a river.
  • FIG. 4 is a partial view in section along its longitudinal axis of a turbine according to the invention in its version for low or medium current
  • Figure 5 is a side view of a portion of the blades of a turbine according to the invention in its version for low or medium current.
  • FIG. 6 is a front view of the blades illustrated in FIG.
  • Figure 7 is a view similar to Figure 5 illustrating the directions of rotation of the first and second groups of blades integral with a turbine according to the invention in its version for low or medium current.
  • Figure 8 is a side view of the bulb of the turbine according to the invention in its version for low or medium current.
  • FIGS. 9 and 10 illustrate a variant in which medium fins are fixed respectively to the external holding vanes and to the internal regulating vanes for starting the first and second turbine blade groups according to the invention.
  • FIG. 11 illustrates the profile of all the blades of the turbine according to the invention.
  • Figure 12 is a detailed view of the top of a regulator blade and the front end of a helical blade of a turbine according to the invention in its version for low or medium current.
  • Figure 13 illustrates the spirals described by the outer and inner helical blades of the turbine according to the invention.
  • Figure 14 is a side view of the bulb of the turbine according to the invention in its version for strong current.
  • Figure 15 is a front view of the turbine according to the invention in its version for strong current.
  • Figure 16 is a detailed view, in plan or side, of the front of the helical blades of a turbine according to the invention in its version for high current, representing the relative incidences of the helical blades.
  • the turbine according to the invention has a blade configuration (helical and holding vane groups or groups of regulating, helical and holding blades developed around the bulb) which also allows it to be propulsive, by means of inversion. intrados and extrados and the curvature of the profiles of the regulator blades, and those of the helical blades up to approximately 2/3 to 3/4 of their length taken from their maximum spacing relative to in the bulb, and the inversion of transverse and longitudinal incidences of said helical vanes on this fraction.
  • the contraction, then the longitudinal expansion of the helicoidal blades are also reversed: these vanes expand longitudinally more and more, then months and less about 2/3 to 3/4 of their length taken from their maximum spacing relative to the bulb.
  • the holding vanes according to the invention are similar in this embodiment.
  • the internal helical blades according to the invention are fixed in this embodiment at the top of additional holding blades, at least one group, developed substantially perpendicularly to the bulb and located on the back half of the bulb length. These so-called additional blades have no relative impact: their role is furthermore to separate the propulsive and propelled parts of the turbine from the reactor.
  • the turbine operating at sea and in rivers whose flow is in principle not less than a known minimum has a better productivity, instantaneous and year-round, than a wind turbine.
  • the sea currents due to the tides are known, vary little in intensity and direction.
  • a fraction of the electricity produced by the turbine can be used to power a pump that propels water into a reservoir located at altitude.
  • a turbine produces electricity thanks to the water coming from this tank.
  • the turbine 1 according to the invention generally has a bulb 2 on which is fixed a series of vanes for rotating under the force of the current.
  • the tube or the holding cable 100 is attached to a profiled mast 102 anchored in the bottom.
  • the holding cable 100 extends inside the profiled mast 102 or the profiled tube 103, to reach, via pulleys 105, the nearest shore.
  • a capstan 106 allows unwinding or winding the holding cable 100, controlling the rise of the turbine 1 to the surface and put it back into operational position.
  • the action of two divers is sufficient to a depth of approximately forty meters.
  • a buoy may be attached to a ring 6 located at the rear end 2b of the bulb 2, inflated and deflated gradually.
  • a rope is looped in the ring 6.
  • a rope is looped in the ring 6 and unwound gradually from the surface.
  • the cable or retaining tube 100 is fixed to the front end of the hub 3 of the turbine 1. Disturbances due to the tube 103 or to the mast 102 sections are small along their trailing edge, and the flow is not slowed in the front of the turbine for the distance that separates them (length of the tube or holding cable 100).
  • the hub 3 is at the longitudinal center of the bulb 2 of the turbine on the longitudinal axis of said bulb 2 ( Figure 4).
  • the turbine 1 is positioned so that said means 3 is substantially parallel to the current.
  • FIGS. 4 to 13 of a first embodiment of a turbine according to the invention the blades of which are sized for small to medium currents of approximately 0.5 to 2 m / s. If the flow is stable in intensity and direction, the turbine can operate in a current of more than 2m / s.
  • the turbine 1 is provided with a first group of integral blades comprising:
  • At least two external regulator vanes 40 developed substantially perpendicular to the surface of the bulb 2 and whose bases 40a are located near the front end 2a of the bulb 2; At least two external holding vanes 41 developed substantially perpendicularly to the bulb 2 and located approximately mid-length of the bulb 2 and;
  • At least two external helical vanes 42 each forming approximately 3/4 to 5/6 of a turn depending on the dimensions of the turbine and the weight of the materials used, so that the total weight of three integral vanes (regulator, helical and keeping) evenly distributed around the bulb.
  • the first group of integral vanes is formed of at least six blades, each outer spiral blade 42 is fixed near its ends.
  • a unitary assembly is thus formed by a helical blade, a regulating blade and a holding vane.
  • the first group of integral blades thus comprises at least two integral assemblies. However for the sake of clarity, the figures generally illustrate only one of these sets. The blades of the first group are all arranged on the bulb 2 to rotate in the same direction.
  • At least two internal regulator blades 50 developed substantially perpendicularly to the surface of the bulb 2 and whose bases 50a are located near the front end 2a of the bulb 2;
  • At least two internal holding vanes 51 developed substantially perpendicular to the bulb 2 and located approximately halfway down the bulb 2 and;
  • At least two internal helical vanes 52 each forming approximately 3/4 to 5/6 of a turn.
  • the second group of integral blades is formed of the same number of blades as the first group and is formed of at least six blades. Therefore, the turbine 1 according to the invention comprises at least twelve blades.
  • each internal helical blade 52 is fixed at its ends 52a, 52b respectively to the vertices 50b and 51b of an internal regulator blade 50 and a holding vane internal 51. Said blades thus form a unitary assembly.
  • the second group of integral blades thus comprises at least two integral assemblies. However for the sake of clarity, the figures generally illustrate only one of these sets. Finally, the blades of the second group are all arranged on the bulb 2 to rotate in the same second direction, opposite to the first.
  • the blades of the second group are situated longitudinally and transversely inside and near the blades of the first group, which justifies the terminology of internal blade for the second group and of the outer blade for the second group. first group.
  • the blades of the second group turn inside the space delimited by the blades of the first group.
  • the blades of each of the first and second groups are arranged so that the weight of each integral assembly formed of a regulating blade, a holding blade and a helical blade (40, 41, 42 or 50, 51, 52 ) and the total weight of each of the first and second vane groups are distributed homogeneously around the hub 3 of the turbine 1.
  • the first and second vane groups have the same weight.
  • the first and second groups of blades are arranged to rotate freely (without driving, generator or alternator) at approximately the same speed
  • the outer and inner holding vanes 41, 51 are preferably located approximately mid-length of the bulb 2.
  • the higher the current the more they are located downstream of this point.
  • the higher the current the more the longitudinal incidence (relative to the current) of the helical blades decreases, the longer the spirals are elongated.
  • the higher the speed of the current the greater the ratio of the length / spacing with respect to the bulb 2 of the internal and external helical vanes 42, 52 increases, the longer the turbine 1, bulb 2 included, and the lower the incidence of the helicoidal vanes. to avoid the appearance of vortex and cavitation.
  • the bulb 2 has a maximum diameter dm and is constant over a fraction x of its length.
  • the shape of the bulb 2 of the turbine according to the invention is designed to generate a minimum of disturbances (vortex and drag) in the surrounding fluid. It is known that the elongated bulbous shape 2 reduces the drag effect and can accentuate the current around its periphery. Such advantages are for example described in WO 2010/033147. However, the bulb of this document causes a large and long drag whose maximum diameter downstream of the turbine is less than the maximum diameter of the bulb. This drag downstream significantly reduces the productivity of the turbine and a fortiori that of any turbines fixed chain, one behind the other.
  • this drag is reduced because it has been noticed that with a bulb whose negative impacts im are less than 15 degrees in its rear part 2d, the flow is not disturbed and remains laminar ( no or few vortices) with weak to medium currents.
  • the external regulator vanes 40, the internal regulator vanes 50, the external retaining vanes 41 and the internal retaining vanes 51 are associated with a respective rotor placed inside the bulb 2.
  • the front or nose end 2a of the bulb 2 comprises the rotor of the external regulating vanes 40.
  • the rotor of the external holding vanes 41 is contained in a 2nd compartment of the bulb 2.
  • the nose 2a of the bulb 2 and said 2nd compartment rotate with the first group of external integral blades (FIG. ).
  • the median portion 2c of the bulb 2 which lies between the rotors of the internal regulator blades 50 and internal retaining vanes 51 and which comprises said rotors rotates with the second group of internal vanes.
  • the rear compartment 2d of the bulb 2 which extends approximately half of the total length of said bulb 2 at the rear of the rotor of the outer holding vanes 41 does not rotate: said rear compartment 2d of the bulb 2 is fixed to the hub 3 .
  • Air is confined in four compartments of the bulb 2, three of which are movable: the nose 2a, the middle part 2c and the second compartment of the rotor of the external holding vanes 41.
  • the fixed compartment is the rear compartment 2d of the bulb 2.
  • the total air volume, at given depth, gives a neutral buoyancy to the turbine 1 and maintains it in a horizontal position. This volume depends on the weight of the turbine 1, that of the portion of the holding cable 100 and the electrical cable 101 located between the mast 102 or profiled tube 103 and the bulb 2 and the depth at which turbine 1 and cable portion hold 100 free are found.
  • the machinery In the bulb 2, at the front or rear of the holding vanes 41, 51, is the machinery generating the electricity (generator, alternator, regulator).
  • the blades of the first and second groups of integral blades are arranged so that the blades of the first group (outer blades) rotating in a first direction generate the same force and rotate at approximately the same speed as the blades of the second group (internal blades). turning in a second opposite direction the first when the first and second groups of blades rotate freely (without driving generator or alternator).
  • the transverse rotary force generated by a single group of vanes is canceled.
  • the rotor and the axis of the external regulator vanes 40 are integral with the hub 3 via preferably at least two ball bearings placed at the front and rear of said rotor.
  • the respective rotors and the axis of the internal regulator vanes 50 and internal retaining vanes 51 are integral with the hub 3 via preferably at least eight ball bearings located at the front and rear levels of each of the rotors.
  • the rotor and the axis of the outer holding vanes 41 are integral with the hub 3 via preferably at least two ball bearings located at the front and rear of said rotor.
  • the leading edge 40c of the external regulator blades 40 is at the level of the front end 2a of the bulb 2 (FIGS. 5 and 8).
  • the regulator vanes 40, 50 and the holding vanes 41, 51 have a shape approaching that of a propeller blade. From their base 40a, 50a, 41a, 51a at their top 40b, 50b, 4b, 51, their incidence increases and the curvature of their profile decreases. At their top 40b, 50b, 41b, 51b, their transverse incidence is equal to that, longitudinal, of the spiral of a helical blade 42, 52 at these points.
  • the relative (transversal) incidence of the regulator vanes 40, 50 increases from approximately 15 ° to 5 °.
  • the holding vanes 41, 51 have a relative incidence which decreases from their base to their top and which is in principle less than that of the regulator vanes 40, 50.
  • the helical vanes 42, 52 Near and downstream of the top 50b of the internal regulator vanes 50 and in the vicinity and upstream of summit 51b of internal retaining vanes 51, the helical vanes 42, 52 have a relative longitudinal incidence of 5 °. At the level of the regulator vanes and the holding vanes, the longitudinal incidence of the helicoidal vanes is zero.
  • the average relative incidences of all the blades are approximately equal to 10 °. Their maximum relative incidence is in principle less than or equal to 15 °.
  • the values given for 5, 10 and 15 ° for the relative incidences of the blades are conventional and variable: they depend on the speed of the current surrounding the blades.
  • the optimal incidences are those which are maximum without generating vortices, those with which the flows surrounding the blades (and the rear compartment 2d of the bulb 2) remain laminar.
  • the turbine 1 has a maximum rotational speed determined by the appearance of cavitation on the posterior part of the upper surface of the blades or, at higher speed, when the cavitation becomes too great.
  • the profile of the blades is as fine as the materials used.
  • a shaft is located inside the vanes, placed on the axis of distribution of the pressures and depressions, ensuring the structural rigidity of the blade (for example, shaft 40d in the outer regulator vanes 40 and shaft 41 d in the vanes external retainers 41 shown in Fig. 4).
  • the upper surface of all blades is regularly convex along the entire length of their profile.
  • the concave portion of the lower surface i decreases: from at the front, it passes approximately 3/4 of the length of the chord of the profile to the half of it (figure 11 for the external regulating vanes 40 with 40th designating the upper surface and 40i designating the lower surface). The remaining back portion is convex.
  • the length of the c-strings of all the blades is constant.
  • the regulator vanes 40, 50 and retaining vanes 41, 51 and their shaft are split (FIGS. 8, 9, 10 and 12).
  • the diameter of the trees and the section of the split profiles are reduced and constant.
  • the string of split profiles is reduced. If the resistance of the sets of integral vanes requires it, the chord of the split profiles increases more and more close to their vertex, with the exception of the double before 150 of the internal regulating vanes 50 and the double before 141 of the retaining vanes 41.
  • the double before 140 of the external regulator vanes 40 are curved on the front
  • the rear double 250 of the internal regulator vanes 50 are curved on the back .
  • the top of the front double 140 of the outer regulator blades 40 is attached to the outer helical vanes 42 at a small distance from the leading end 42a thereof.
  • the top of the back twins 250 of the inner regulator vanes 50 are attached to the inner helical vanes 52 at the end 52a thereof.
  • the front double 151 of the inner retaining vanes 51 are curved on the front and the rear double 241 of the outer retaining vanes 41 are curved on the rear.
  • the top of the rear doubles 251 of the internal holding vanes 51 is attached to the rear end 52b of the inner helical blades 52.
  • the top of the rear double members 241 of the outer holding vanes 41 is attached at a small distance from the rear end. 42b external helical blades 42.
  • the internal blades of the second group of blades have a slightly longer profile with a curvature slightly lower than that of the outer blades of the first group.
  • the leading edge of all vanes, on the intrados side, has a relative incidence of approximately zero when the turbine 1 reaches its optimum rotational speed.
  • the spirals described by the helical vanes 42, 52 contract longitudinally downstream of the regulator vanes 40, 50 approximately 2/3 to 3/4 of their length. From about 5 ° to the front, downstream and near the top of the internal regulator blades their relative longitudinal incidence increases to reach a maximum in principle less than or equal to 15 °. From 2/3 to 3/4 of their length, the helical blades 42, 52 expand longitudinally to reach a longitudinal relative incidence at the leading edge of the holding vanes 41, 51 equal to the relative transverse incidence said blades at their apex. The spirals of the outer spiral blades 42 in principle continue to expand downstream from the trailing edge level of the outer holding vanes to their trailing end 42b.
  • the average relative longitudinal incidence of the spirals is approximately equal to 10 °.
  • Front views (FIG. 6) and plan or profile views (FIG. 13) the spirals of the helicoidal vanes 42, 52, downstream from the top of the internal regulator vanes 50, are centripetal up to approximately 2/3 to 3 / 4 back of their length. From this point, the spirals of the helicoidal vanes 42, 52 are centrifugal, to be regular in the vicinity and upstream of the level of the internal retaining vanes 51.
  • the front end 42a of the outer helical blades 42 is slightly upstream of the front end 2a of the bulb 2 ( Figures 5 and 8). From their end 42a at the trailing edge of the internal regulator vanes 50, the outer helical vanes 42 have no incidence, transverse or longitudinal ( Figure 12). Their role is to separate the inner flow around and near the end of the outer regulator vanes 40 and the outer flow and to increase the efficiency of these outer regulator vanes 40 near their top 40b.
  • the vertices of the internal regulator blades 50 and external 40 split or not are fixed to the internal helical blades 52, respectively external 42.
  • the underside of the regulator vanes 40, 50 split or not is transversely slightly downstream of the edge d
  • the trailing edge of the helicoidal vanes 42, 52 is more distant, downstream, transversely, from the extrados of the regulator vanes 40, 50, which may or may not be split off.
  • the outer helical vanes 42 have a symmetrical profile. Near their rear end 42b, the outer helical blades 42 have a profile whose length and thickness decreases technically. Their shape approaches that of a half disc.
  • the front end 52a of the inner helical blades 52 has approximately the same shape as the front end 42a of the outer helical blades 42: their trailing edge describes a decreasing curve approaching the shape of a quarter circle.
  • the rear end 52b of the inner helical blades 52 has a shape symmetrically opposite to that of the front end 42a of the outer helical blades 42: the trailing edge of said internal helical blades 52 therein describes an increasing curve close to the shape of a quarter circle.
  • the vertices of the split internal holding vanes 51 are fixed to the internal helical vanes 52. In these places, the leading edges of the internal helical vanes 52 are transversely slightly upstream of the intrados of the duplicates of the internal 51 regulating vanes and their trailing edge more certainly downstream of the extrados of these.
  • the extrados of the internal helical blades 52 are internal throughout their entire length, up to their rear end 52b located at the trailing edge of the rear double members 251 of the internal retaining vanes 51.
  • the inner and outer helical vanes 52 and 42 have a transverse bearing and a curvature of the opposite direction profile which grow rapidly to reach a relative transverse incidence close to 5 °, then this growth is less and less sustained until approximately 2/3 to 3/4 back of their length, where their relative incidence reaches a maximum in principle less than or equal to 15 °.
  • Their relative transverse incidence decreases from this point to zero near and upstream of the level of the double before 151 of the internal holding vanes 51.
  • the average relative transverse incidence of the inner and outer helical blades approaches 10 °.
  • the leading edge of the internal helical blades 52 approaches the hub 3 from the proximity of the trailing edge of the rear double 250 of the internal regulator blades 50 to approximately 2/3 to 3/4 back of their length (the incidence of the blades is increasing, opposite to that of the outer blades), then moves away from the hub 3 from this point, this up to near, upstream of the leading edge of the double before 151 blades internal retention 51 (the incidence decreases), where it is found with the trailing edge, on the same initial circle (zero incidence).
  • the turbine described above with reference to Figures 4 to 13 has blades and a bulb sized for low to medium currents.
  • FIGS. 14 and 15 A second embodiment of a turbine according to the invention and dimensioned for high currents (approximately from 2m / s) will now be described in detail with reference to FIGS. 14 and 15 in particular. Since the blades designed for low and medium currents and those for high currents are similar in many characteristics, the description below does not describe in detail these characteristics. In particular, in this second embodiment, the same references designate the same parts or elements of the turbine.
  • the impeller 1 dimensioned for strong currents is provided with a first group of integral vanes comprising at least two external helical vanes 42 each forming approximately 3/4 to 5/6 of a turn and at least two external holding vanes 41 located approximately 2/3 of the length of the bulb 2 and developed substantially perpendicularly to the bulb 2.
  • the first group of integral vanes is formed of at least four vanes.
  • Each external helical blade 42 is fixed at its front end 42a near the front end 2a of the bulb 2 and not far from its rear end 42b at the top 41b of an external holding vane 41.
  • a unitary assembly is thus formed by a helical blade and a holding blade.
  • the first group of integral blades thus comprises at least two integral assemblies. However, for clarity, Figure 14 illustrates only one of these sets. The blades of the first group are all arranged on the bulb 2 to rotate in the same direction.
  • the impeller 1 sized for strong currents is provided with a second group of integral blades comprising at least two internal helical blades 52 each forming approximately 3/4 to 5/6 of a turn and at least two internal holding vanes 51 located approximately 2/3 of the length of the bulb 2 and developed substantially perpendicularly to the bulb 2.
  • the second group of integral vanes is formed of at least four vanes and therefore the turbine according to the invention for high current is composed of at least eight blades.
  • Each internal helical blade 52 is fixed at its front end 52a near the front end 2a of the bulb 2 and at its rear end 52b at the top 51b of an internal retaining blade 51.
  • a unitary assembly is thus formed by a blade helical and a holding blade.
  • the second group of integral blades thus comprises at least two integral assemblies. The blades of the second group are all arranged on the bulb 2 to rotate in the same second direction opposite to the first.
  • the front part or nose 2a of the bulb comprising the rotor of the outer helical blades 42 and the 2nd compartment of the bulb 2 comprising the rotor of the outer holding vanes 41 rotate with the outer blades forming the first group of blades.
  • the median portion 2c of the bulb situated between the rotor of the internal helical blades 52 and that of the internal retaining blades 51 and comprising said rotors rotates with the internal vanes forming the second group of integral blades.
  • the rear compartment 2d of the bulb 2 (approximately 1/3 of its length in this embodiment), at the rear of the rotor of the external holding vanes 41, does not rotate: said rear compartment 2d is fixed to the hub 3 of the bulb 2.
  • the shape of the bulb 2 is the shape of the bulb 2.
  • the positive effects around the nose 2a of the bulb 2 are smaller than those of nose 2a of bulb 2 shaped for low and medium currents.
  • the bulb 2 of a turbine according to said second embodiment for a high current has a maximum diameter dm and constant over a fraction x of its length. The higher the speed of the current, the longer this fraction becomes.
  • Downstream of this fraction x negative incidences appear and increase on the surface of the bulb 2 to reach an approximate maximum i'm of 5 ° near the rear end 2b of the bulb 2. From this point, the diameter of the bulb 2 decreases technically. This section of the bulb 2 approaches the shape of a half sphere ( Figure 14).
  • the leading edge of the helical blades 42, 52 close to their base 42a, 52a, forms approximately an angle of 90 ° with the tangent to the curve forming the nose 2a of the bulb 2 ( Figure 14). From their base 42a, 52a to a point approximately near their maximum spacing, the helical vanes 42, 52 are curved forward. The most upstream point of the flare is approximately 3/4 outside the maximum spacing of the helicoidal blades from the bulb (it depends on the size of the blades). Regarding the external helical blades 52, it is at the height of the front end 2a of the bulb 2.
  • the helicoidal vanes 42, 52 describe a curve opposite to their direction of rotation. Appearing close to their base, this curve increases more and more, increases about 3/4 outside the maximum spacing of the blades (depending on the size of the blades) to then decrease and form a circle at maximum spacing helical blades 42, 52.
  • the incidence of the helical vanes 42, 52 increases, their relative incidence and curvature decrease from their base 42a, 52a to the point where they reach their maximum spacing.
  • the helicoidal vanes 42, 52 pass from a development on a plane substantially perpendicular to the current to a development on a plane essentially parallel to the current. Between these two points, their transverse and longitudinal incidences intertwine. We can add them once modulated by coefficients that evolve throughout this segment.
  • the helicoidal vanes 42, 52 are oriented on the same plane as the current, they have initiated their spiral and their leading and trailing edges have been reversed.
  • the outer helical vanes 42 have a zero transverse incidence. Their relative longitudinal incidence is approximately equal to 5 °.
  • first and second blade groups (internal and external) rotate at approximately the same speed when they do not drive the generator or alternator.
  • the spirals described by the helicoidal vanes 42, 52 contract longitudinally from their maximum spacing, approximately up to 2/3 to 3/4 of the length of their spiral taken from their spacing 2. From this point, the spirals expand to reach at the leading edges of the tips of the holding vanes 41, 51, a longitudinal relative incidence equal to the transverse relative incidence of said vanes. keeping in these places.
  • the spirals of the outer helical blades 42 continue in principle to expand downstream from the top 41b of the outer holding vanes 41 to their end 42b and have a propulsive action.
  • the outer helical vanes 42 from their maximum spacing to near and upstream of the leading edge level of the inner retaining vanes 51, have an outer extrados. Around this point, their extrados passes from the outside to the inside until and after the level of the trailing edge of the outer holding vanes 41. Downstream from this level to their rear end, the outer helical blades 42 have a symmetrical profile whose length decreases simply near their rear end 42b, which has a shape approaching that of a half disk.
  • the extrados of the internal helical blades 52 is on the inside over their entire length.
  • the outer helical blades 52 At the front, downstream of their maximum spacing, the outer helical blades 52 have a curvature of profile and a transverse incidence which grow rapidly to reach a relative incidence of 5 °, then this growth is less and less sustained up to approximately 2/3 to 3/4 of the length of their spiral (taken from the maximum gap of the blades), where their relative incidence reaches approximately 15 ° maximum. Their impact transverse and the curvature of their profile decreases from this point to disappear near and upstream of the level of the internal retaining vanes 51.
  • the internal helical blades 52 At their maximum spacing, the internal helical blades 52 have a relative transverse incidence of 5 °. Downstream of this point, their relative transverse incidence and the curvature of their profile are increasing, less and less, to reach 15 ° maximum at a point situated approximately between 2/3 and 3/4 of the length of their spiral taken at from the maximum spacing of the blades. Their incidence and the curvature of their profile decreases from this point to disappear near and upstream of the leading edge of the internal holding vanes 51.
  • the leading edge of the inner helical blades 52 approaches the hub 3 from their maximum spacing to a point approximately between 2/3 and 3/4 of the length of the blade spirals (increasing incidence) , then away from it (decreasing incidence), this up to and upstream of the level of the internal holding vanes 51, where it is left with the trailing edge on the same initial circle (zero incidence).
  • the turbine designed for high current thus comprises a bulb on which are fixed a first and a second group of blades.
  • the first and second groups each comprise at least two helical blades extending substantially and approximately perpendicular to the bulb and over the remainder of their length substantially and approximately parallel to the bulb, and as many holding vanes extending substantially perpendicular to the bulb, located between half and 2/3 of the length of said bulb, the helicoidal blades being fixed at a first end to the front end of the bulb while their second end is attached to a holding vane.
  • the first group and the second group of blades are arranged to rotate in opposite directions, the second turning in the space delimited by the blades of the first group.
  • the transverse and longitudinal incidences of the helical blades once modulated by coefficients that evolve over the entire length of these blades, can be added to obtain the total force obtained.
  • This force is greater than that obtained with blades in similar situation opposing an incidence twice as large, only transverse to the current, since the flows around the helical blades are laminar.
  • the invention is the addition of the increase of the diameter of the bulb (slight increase in the speed of the flow at the height of the helical blades) and the concentricity of the helical blades to the rear which is efficient.
  • the space between the bulb and the helical blades decreases more and more, going backwards, then less and less (from 2/3 to 3/4 of the length of the helicoidal blades taken from their maximum spacing), to be constant upstream and close to the holding vanes. It is similar to that of a reactor nozzle.
  • the concentricity of the internal helical blades allows them to operate in a flow that is only slightly disturbed by the regulator blades.
  • the role of the concentricity of the helicoidal vanes is also to concentrate the vortices appearing along their trailing edge, thus reducing the diameter of the disturbed flow and the volume of fluid idle downstream of the turbine.
  • the rotational speed of the turbine according to the invention is proportional to the speed of the current but it is never very high.
  • the vanes are preferably of steel and most of the weight of the vane assemblies is not far from the maximum spacing thereof from the hub.
  • the helical blades of the turbine develop on half to 2/3 of the length of the bulb and the maximum diameter of the bulb is between its mid-length and 2/3 back the length thereof.
  • the turbine according to the invention also has the advantage of being placed in series on the same site. Indeed, the turbine according to the invention being shaped to limit the disturbances caused by its operation, it does not interfere with a similar turbine that would be placed nearby.
  • the helicoidal blades may be attached to the bulb via regulator vanes extending substantially perpendicular to the bulb surface at the front end of said bulb.

Abstract

L'invention concerne une turbine pour générer de l'électricité à partir d'un courant fluide comprenant : un bulbe central (2); un premier et un second groupes d'aubes montés chacun sur le bulbe (2); le premier groupe d'aube étant agencé pour tourner dans un premier sens sous l'action du courant, et le second groupe d'aubes étant agencé pour tourner dans un second sens opposé au premier sous l'action du courant, les aubes dudit second groupe étant de plus agencées pour tourner dans l'espace délimité par les aubes du premier groupe; Les premiers et seconds groupes comprennent chacun au moins deux aubes hélicoïdales (42, 52) et au moins deux aubes de maintien (41, 51 ). Chacun des premier et second groupes, le nombre d'aubes hélicoïdales (42, 52) est égal au nombre d'aubes de maintien (41, 51 ): les aubes de maintien (41, 51) ont leur base (41a, 51a) fixé au bulbe (2) et s'étendent essentiellement perpendiculairement par rapport au bulbe (2). Chaque aube hélicoïdale (42, 52) est fixée à une première extrémité (42a, 52a) à l'extrémité avant (2a) du bulbe (2) et à une second extrémité (42b, 52b) ou à proximité de celle-ci au sommet (41 b, 51 b) d'une aube de maintien (41, 51 ).

Description

Turbine à aubes hélicoïdales
La présente invention a pour objet une turbine à aubes hélicoïdales pour la production d'électricité.
L'énergie hydraulique est une des formes d'énergie dites "vertes" ou
"renouvelables". Jusqu'à présent, l'homme a créé des barrages et des conduites forcées afin de générer un courant minimum pour faire tourner une turbine et ainsi produire de l'énergie électrique. Cependant, les fleuves, les rivières ainsi que certaines étendues d'eau naturelles (mer ou océan) peuvent présenter des courants ou des volumes d'eau qui pourraient permettre de faire tourner une turbine et ainsi produire de l'électricité. L'utilisation de ces fleuves, rivières ou cours d'eau naturels nécessite peu d'infrastructure puisque le but est d'utiliser le courant naturel et non pas de le créer. Cependant, les turbines utilisées doivent être adaptées aux conditions particulières et doivent avoir un faible impact sur l'environnement dans lequel elles sont installées.
Le document WO 2007/129049 décrit une turbine comprenant un premier rotor monté en rotation autour d'un axe de rotation s'étendant transversalement par rapport à la direction du courant et ayant une pluralité d'aubes de préférence hélicoïdales et dont l'axe longitudinal est également transversal à la direction du courant. La turbine comprend également un second rotor monté en rotation autour dudit axe de rotation et ayant une pluralité d'aubes de préférence hélicoïdales et dont l'axe longitudinal est également transversal à la direction du courant. Le premier rotor est agencé pour tourner dans un premier sens sous l'action du courant et le second rotor est agencé pour tourner dans un second sens opposé au premier. Les aubes du second rotor sont agencées de sorte que les aubes du premier rotor tournent à l'intérieur de l'espace délimité par les aubes du second rotor.
Cette turbine doit être positionnée de sorte que son axe longitudinal soit transversal au courant. Or, une turbine placée transversalement au courant génère beaucoup de perturbations. De plus, il faut à une turbine placée transversalement au courant non seulement un courant important mais une évacuation rapide du fluide en aval, c'est-à-dire une pente suffisante du conduit du fluide pour y recréer le courant nécessaire. Dans le cas d'une position transversale de la turbine, ses aubes sont efficientes surtout lorsqu'elles effectuent leur moitié de cercle, vu de profil, en direction du courant. Lorsqu'elles effectuent leur deuxième moitié de cercle, en remontant le courant, elles sont moins performantes quelle que soit la forme de leur profil car elles travaillent dans un flux perturbé par l'aube située en amont et qui les précède par rapport au sens de rotation. Cette turbine peut être maintenue à la surface du flux, à moitié immergée. Dans cette position, le rendement de la turbine est réduit par les perturbations du flux situé à proximité de sa surface et les aubes ne travaillent que sur la moitié de leur rotation complète.
La position transversale d'une telle turbine implique en outre une infrastructure importante de béton canalisant tout le flux entre les points de fixation des aubes hélicoïdales à leurs extrémités. Des espaces laissés entre les socles rotatifs des aubes (rotors) et les côtés du canal réduiraient la productivité de la turbine. La turbine décrite par WO 2007/129049 ne peut être positionnée parallèlement au courant car les socles des aubes hélicoïdales (rotors) sont plats. La totalité de leur surface se retrouverait en position transversale au courant. Même tronqués de plus en plus en allant vers l'extérieur, entre les points de fixation avec les aubes hélicoïdales (figure 2 et 3 de WO 2007/129049), les socles provoqueraient de grosses perturbations du flux en aval de leurs positions et réduiraient la productivité de la turbine à peu de chose.
Le but de la présente invention est de réaliser une turbine permettant de produire de l'électricité de façon non polluante, qui soit efficace dans des courants faibles, moyens ou forts et qui ne nécessite que peu d'infrastructure n'induisant qu'un impact minime sur l'environnement, en particulier sur la faune et la flore ainsi que sur les activités humaines. La présente invention a pour objet une turbine selon la revendication 1.
Les dessins illustrent schématiquement et à titre d'exemple plusieurs formes d'exécution de l'instrument selon l'invention.
Les figures 1 et 2 sont des vues de côté d'une turbine selon l'invention immergée en mer.
La figure 3 est une vue de face d'une turbine selon l'invention située dans un fleuve ou une rivière.
La figure 4 est une vue partielle en coupe selon son axe longitudinal d'une turbine selon l'invention dans sa version pour courant faible ou moyen,
La figure 5 est une vue de côté d'une partie des aubes d'une turbine selon l'invention dans sa version pour courant faible ou moyen.
La figure 6 est une vue de face des aubes illustrées à la figure 5.
La figure 7 est une vue similaire à la figure 5 illustrant les sens de rotation des premier et second groupes d'aubes solidaires d'une turbine selon l'invention dans sa version pour courant faible ou moyen.
La figure 8 est une vue de côté du bulbe de la turbine selon l'invention dans sa version pour courant faible ou moyen.
Les figures 9 et 10 illustrent une variante dans laquelle des ailerons mi- rigides sont fixés respectivement sur les aubes de maintien externes et sur les aubes régulatrices internes pour le démarrage des premier et second groupes d'aubes de la turbine selon l'invention.
La figure 11 illustre le profil de toutes les aubes de la turbine selon l'invention.
La figure 12 est une vue détaillée du sommet d'une aube régulatrice et de l'extrémité avant d'une aube hélicoïdale d'une turbine selon l'invention dans sa version pour courant faible ou moyen.
La figure 13 illustre les spirales décrites par les aubes hélicoïdales externes et internes de la turbine selon l'invention. La figure 14 est une vue de côté du bulbe de la turbine selon l'invention dans sa version pour courant fort.
La figure 15 est une vue de face de la turbine selon l'invention dans sa version pour courant fort.
La figure 16 est une vue détaillée, en plan ou de côté, de l'avant des aubes hélicoïdales d'une turbine selon l'invention dans sa version pour courant fort, représentant les incidences relatives des aubes hélicoïdales.
La turbine, objet de cette invention, peut fonctionner dans un fluide liquide canalisé et dans un fluide gazeux libre ou canalisé. A l'air libre, elle est placée dans un espace venté, dans la plupart des cas à une certaine distance de la surface terrestre pour pouvoir bénéficier de vents aussi constants que possible, en direction et en intensité. Elle nécessite une infrastructure plus importante que la turbine fonctionnant en eau libre. La turbine fonctionnant dans l'air libre peut pivoter de 360° sur le plan horizontal dans les deux sens, autour d'un axe situé à l'avant, au niveau de l'écartement maximum des aubes hélicoïdales par rapport au bulbe. Qu'elle fonctionne dans un fluide canalisé ou dans un flux gazeux libre, cette turbine est pourvue au minimum de deux structures circulaires avant et arrière développées essentiellement perpendiculairement et autour du bulbe à l'extérieur des aubes hélicoïdales, auxquelles sont fixées les aubes hélicoïdales, respectivement à leur écartement maximum par rapport au bulbe et à un niveau situé sur la moitié arrière de la longueur du bulbe. L'extérieur de ces structures circulaires, sur toute leur circonférence, est solidaire d'autant d'anneaux de maintien de la turbine situés autour des structures, via des roulements à billes.
La turbine selon l'invention a une configuration d'aubes (groupes d'aubes hélicoïdales et de maintien ou groupes d'aubes régulatrices, hélicoïdales et de maintien développés autour du bulbe) qui lui permet également d'être propulsive, moyennant l'inversion des intrados et extrados et de la courbure des profils des aubes régulatrices, et de ceux des aubes hélicoïdales jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 de leur longueur prise à partir de leur écartement maximum par rapport au bulbe, et l'inversion des incidences transversale et longitudinale desdites aubes hélicoïdales sur cette fraction. Selon l'invention, la contraction, puis la dilatation longitudinale des aubes hélicoïdale sont donc également inversées: ces aubes se dilatent longitudinalement de plus en plus, puis de mois en moins sur approximativement 2/3 à 3/4 de leur longueur prise à partir de leur écartement maximum par rapport au bulbe. Sur cette fraction, leur incidence transversale augmente de plus en plus. Approximativement entre 2/3 et 3/4 de leur longueur, les incidences longitudinale et transversale des aubes hélicoïdales s'inversent, de même que l'extrados et l'intrados et la courbure de leur profil. A partir de ce dit niveau, de propulsives, les aubes hélicoïdales sont de plus en plus propulsées, ce jusqu'à leur extrémité arrière, par un combustible ou de préférence l'injection d'hydrogène dans la tuyère. Les aubes de maintien selon l'invention sont semblables dans cette forme d'exécution. Les aubes hélicoïdales internes selon l'invention sont fixées sous cette forme d'exécution au sommet d'aubes de maintien supplémentaires, au minimum un groupe, développées essentiellement perpendiculairement au bulbe et situées sur la moitié arrière de la longueur du bulbe. Ces dites aubes supplémentaires n'ont pas d'incidence relative: leur rôle est en outre de séparer les parties propulsive et propulsée de la turbine du réacteur.
La turbine fonctionnant en mer et dans les fleuves et rivières dont le débit n'est en principe pas inférieur à un minimum connu a une meilleure productivité, instantanée et à l'année, qu'une turbine éolienne. Les courants marins dus aux marées sont connus, varient peu en intensité et en direction. Nombreux sont les sites où les étales sont de courte durée. Pour pallier l'absence de production lors des étales, une fraction de l'électricité produite par la turbine peut servir à alimenter une pompe qui propulse de l'eau dans un réservoir situé en altitude. Lors des étales, une turbine produit de l'électricité grâce à l'eau issue de ce réservoir. La turbine 1 selon l'invention présente de manière générale un bulbe 2 sur lequel est fixée une série d'aubes destinées à tourner sous la force du courant. Ces aubes seront décrites en détail dans la suite.
On commence par décrire brièvement l'ancrage de la turbine 1 et son raccordement.
De manière générale, la turbine 1 est destinée à être placée essentiellement parallèlement au courant et est placée de manière à ne pas interférer avec l'environnement qui l'entoure, en particulier la faune et la flore, ou l'activité humaine. Par exemple, en mer, la turbine 1 sera ancrée à une profondeur suffisante pour ne pas déranger le trafic maritime (figure 1 ). Des aménagements spéciaux peuvent également être prévus pour protéger la faune, la flore et les plongeurs tels les filets 107 illustrés aux figures 1 et 3. Dans les fleuves et les rivières, la turbine 1 pourrait par exemple être placée parallèlement à un canal à poissons 108 pour ainsi limiter son impact sur la faune et la flore environnantes (figure 3).
La turbine 1 est maintenue en amont par un câble de maintien ou un tube de maintien 100 à l'intérieur duquel se trouve un câble électrique. En mer comme illustré sur les figures 1 et 2, le câble de maintien 100 et la turbine 1 peuvent pivoter de 360° sur un plan horizontal dans les deux sens pour rester parallèle au courant. En mer, le câble 100 est maintenu au sommet d'un mât profilé haubané 102 ancré dans le fond comme illustré sur la partie droite de la figure 2 ou le long d'un tube profilé pivotant 103 dont la base est ancrée dans le fond et le sommet maintenu par une bouée immergée profilée 104 comme illustré sur la partie gauche de la figure 2.
Dans les fleuves et rivières, comme illustré sur la figure 3, le tube ou le câble de maintien 100 est fixé à un mât profilé 102 ancré dans le fond.
En mer et comme illustré sur la figure 2, le câble de maintien 100 se prolonge à l'intérieur du mât profilé 102 ou du tube profilé 103, pour atteindre, via des poulies 105, le rivage le plus proche. Sur la rive, un cabestan 106 permet de dévider ou d'enrouler le câble de maintien 100, de contrôler la montée de la turbine 1 à la surface et de la remettre en position opérationnelle. Pour déclencher le mouvement ascensionnel de la turbine, l'action de deux plongeurs est suffisante jusqu'à une profondeur approximative de quarante mètres. A plus grande profondeur, une bouée peut être fixée à un anneau 6 situé à l'extrémité arrière 2b du bulbe 2, gonflée puis dégonflée progressivement. Pour contrôler l'ascension de la turbine depuis la surface, une corde est passée en boucle dans l'anneau 6. Lors de sa descente, pour éviter que la turbine 1 ne le fasse trop rapidement, une corde est passée en boucle dans l'anneau 6 et dévidée progressivement depuis la surface.
De manière générale, le câble ou tube de maintien 100 est fixé à l'extrémité avant du moyeu 3 de la turbine 1. Les perturbations dues au tube 103 ou au mât 102 profilés sont peu importantes le long de leur bord de fuite, et le flux n'est pas ralenti à l'avant de la turbine vue la distance que les sépare (longueur du tube ou câble de maintien 100).
Le moyeu 3 se trouve au centre longitudinal du bulbe 2 de la turbine sur l'axe longitudinal dudit bulbe 2 (figure 4). En particulier, la turbine 1 est positionnée de sorte que ledit moyen 3 soit essentiellement parallèle au courant.
On décrit maintenant en référence aux figures 4 à 13 une première forme d'exécution d'une turbine selon l'invention dont les aubes sont dimensionnées pour des courants faibles à moyens approximativement de 0.5 à 2 m/s. Si le flux est stable en intensité et en direction, la turbine peut fonctionner dans un courant de plus de 2m/s.
En référence aux figures 5 et 6 notamment, la turbine 1 est pourvue d'un premier groupe d'aubes solidaires comprenant:
• au moins deux aubes régulatrices externes 40 développées essentiellement perpendiculairement à la surface du bulbe 2 et dont les bases 40a sont situées près de l'extrémité avant 2a du bulbe 2; • au moins deux aubes de maintien externes 41 développées essentiellement perpendiculairement au bulbe 2 et situées approximativement à mi-longueur du bulbe 2 et;
• au moins deux aubes hélicoïdales externes 42 formant chacune approximativement 3/4 à 5/6 d'une spire selon les dimensions de la turbine et le poids des matériaux utilisés, de sorte que le poids total de trois aubes solidaires (régulatrice, hélicoïdale et de maintien) soit réparti de façon homogène autour du bulbe.
Ainsi, le premier groupe d'aubes solidaires est formé d'au moins six aubes, Chaque aube hélicoïdale externe 42 est fixée, à proximité de ses extrémités
42a, 42b respectivement aux sommets 40b et 41 b d'une aube régulatrice externe 40 et d'une aube de maintien externe 41. Un ensemble solidaire est ainsi formé par une aube hélicoïdale, une aube régulatrice et une aube de maintien. Le premier groupe d'aubes solidaires comprend donc au moins deux ensembles solidaires. Cependant pour plus de clarté, les figures n'illustrent en général qu'un de ces ensembles. Les aubes du premier groupe sont toutes agencées sur le bulbe 2 pour tourner dans un même premier sens.
La turbine 1 selon l'invention est en outre pourvue d'un second groupe d'aubes solidaires comprenant:
« au moins deux aubes régulatrices internes 50 développées essentiellement perpendiculairement à la surface du bulbe 2 et dont les bases 50a sont situées près de l'extrémité avant 2a du bulbe 2;
• au moins deux aubes de maintien internes 51 développées essentiellement perpendiculairement au bulbe 2 et situées approximativement à mi- longueur du bulbe 2 et;
• au moins deux aubes hélicoïdales internes 52 formant chacune approximativement 3/4 à 5/6 d'une spire. Le second groupe d'aubes solidaires est formé du même nombre d'aubes que le premier groupe et est formé d'au moins six aubes. Par conséquent, la turbine 1 selon l'invention comprend au moins douze aubes.
Les aubes du second groupe sont agencées de manière similaire aux aubes du premier groupe: chaque aube hélicoïdale interne 52 est fixée, à ses extrémités 52a, 52b respectivement aux sommets 50b et 51b d'une aube régulatrice interne 50 et d'une aube de maintien interne 51. Lesdites aubes forment ainsi un ensemble solidaire. Le second groupe d'aubes solidaires comprend donc au moins deux ensembles solidaires. Cependant pour plus de clarté, les figures n'illustrent en général qu'un de ces ensembles. Finalement, les aubes du second groupe sont toutes agencées sur le bulbe 2 pour tourner dans un même second sens, opposé au premier.
Comme illustré sur la figure 6, les aubes du second groupe sont situées longitudinalement et transversalement à l'intérieur et à proximité des aubes du premier groupe, ce qui justifie la terminologie d'aube interne pour le second groupe et d'aube externe pour le premier groupe. Ainsi, les aubes du second groupe tournent à l'intérieur de l'espace délimité par les aubes du premier groupe.
Les aubes de chacun des premier et second groupes sont agencées pour que le poids de chaque ensemble solidaire formé d'une aube régulatrice, d'une aube de maintien et d'une aube hélicoïdale (40, 41 , 42 ou 50, 51 , 52) et le poids total de chacun des premier et second groupes d'aubes soient répartis de façon homogène autour du moyeu 3 de la turbine 1. En particulier et de préférence, les premier et second groupes d'aubes ont le même poids.
Les premier et second groupes d'aubes sont agencés pour tourner librement (sans entraîner ni générateur, ni alternateur) approximativement à la même vitesse
Si les aubes hélicoïdales internes 52 ne sont pas longitudinalement assez stables, s'il y a un risque qu'elles entrent en contact avec les aubes hélicoïdales externes 42 lors de changements de vitesse ou de direction du courant, lesdites aubes hélicoïdales internes 52 sont fixées aux sommets d'aubes de maintien supplémentaires 53 (figure 4) développées essentiellement perpendiculairement au bulbe 2 entre les aubes régulatrices internes 50 et les aubes de maintien internes 51.
Les aubes de maintien externes et internes 41 , 51 se situent de préférence approximativement à mi-longueur du bulbe 2. Plus le courant est fort, plus elles sont situées en aval de ce point. Plus le courant est fort, plus l'incidence longitudinale (par rapport au courant) des aubes hélicoïdales diminue, plus les spirales sont longilignes. Plus la vitesse du courant est importante, plus le rapport longueur/écartement par rapport au bulbe 2 des aubes hélicoïdales internes et externes 42, 52 augmente plus la turbine 1 , bulbe 2 inclus, s'allonge et plus l'incidence des aubes hélicoïdales diminue pour éviter l'apparition du vortex et de la cavitation.
Comme illustré à la figure 8, à l'arrière des aubes de maintien internes et externes 41 , 51 , le bulbe 2 a un diamètre maximum dm et constant sur une fraction x de sa longueur. Plus le courant est fort, plus cette fraction s'allonge vers l'arrière du bulbe 2 pour maintenir une distance égale, relative à la vitesse du courant, entre les bords de fuite des aubes de maintien externes, à leur base, et l'apparition des perturbations, à partir de la diminution du diamètre du bulbe. Cette distance doit être suffisante pour que les perturbations ne ralentissent pas le flux environnant en amont. En aval de cette fraction, le diamètre du bulbe 2 diminue, les incidences négatives apparaissant à sa surface et augmentent de plus en plus pour atteindre un maximum approximatif im de 15 degrés à proximité de l'extrémité arrière 2b du bulbe 2. Plus la vitesse du courant est importante, plus l'incidence négative maximum de la surface du bulbe 2 diminue. A proximité de l'extrémité arrière 2b du bulbe 2, son diamètre diminue de plus en plus franchement et la forme du bulbe 2 approche alors celle d'une demi sphère. Un anneau 6 se trouve à l'extrémité arrière 2b du bulbe 2. La croissance du diamètre du bulbe 2 est maximum à l'extrémité avant 2a de celui-ci, à l'avant de la base 40a, 50a des aubes régulatrices externes et internes 40, 50, puis diminue de plus en plus en allant vers l'arrière, pour être nulle à proximité et en aval des aubes de maintien externes 41 , approximativement à la moitié de la longueur du bulbe 2 (figures 4, 5, 7 et 8).
La forme du bulbe 2 de la turbine selon l'invention est conçue pour générer un minimum de perturbations (vortex et traînée) dans le fluide environnant. Il est connu que la formé allongée du bulbe 2 réduit l'effet de traînée et peut accentuer le courant autour de sa périphérie. De tels avantages sont par exemple décrits dans WO 2010/033147. Cependant, le bulbe de ce document provoque une traînée importante et longue dont le diamètre maximum en aval de la turbine est peu inférieur au diamètre maximum du bulbe. Cette traînée en aval réduit sensiblement la productivité de la turbine et a fortiori celle d'éventuelles turbines fixées en chaîne, l'une derrière l'autre. Avec une turbine selon l'invention, cette traînée est réduite car il a été remarqué qu'avec un bulbe dont les incidences négatives im sont inférieures à 15 degrés dans sa partie arrière 2d, l'écoulement n'est pas perturbé et reste laminaire (pas ou peu de vortex) avec des courants faibles à moyens.
En ce qui concerne le fait d'accentuer le courant à la périphérie du bulbe 2, on a remarqué que cela est vrai, surtout autour et à proximité de l'extrémité avant du bulbe, là où l'incidence de la surface du bulbe par rapport au courant est maximum. Plus on s'en éloigne, plus les incidences diminuent, plus le flux environnant ralenti, pour avoir une vitesse approximativement égale à celle du flux global au niveau du diamètre maximum du bulbe. En aval de ce point, vu l'apparition des vortex, la vitesse moyenne du flux environnant le bulbe diminue, devenant de plus en plus inférieure à celle du flux global. Pour que la turbine puisse bénéficier de cet avantage de l'accélération du flux environnant le bulbe, il faut reculer un maximum le point de transition, le niveau où apparaissent les vortex, en aval du diamètre maximum du bulbe. C'est le cas avec une turbine 1 selon l'invention munie d'un bulbe 2 tel que décrit ci-dessus.
Les aubes régulatrices externes 40, les aubes régulatrices internes 50, les aubes de maintien externes 41 et les aubes de maintien internes 51 sont associées à un rotor respectif placé à l'intérieur du bulbe 2. L'extrémité avant ou nez 2a du bulbe 2 comprend le rotor des aubes régulatrices externes 40. Le rotor des aubes de maintien externes 41 est contenu dans un compartiment 2e du bulbe 2. Le nez 2a du bulbe 2 et ledit compartiment 2e tournent avec le premier groupe d'aubes solidaires externes (figure 7). La partie médiane 2c du bulbe 2 qui se situe entre les rotors des aubes régulatrices internes 50 et des aubes de maintien internes 51 et qui comprend lesdits rotors tourne avec le second groupe des aubes internes. Le compartiment arrière 2d du bulbe 2 qui s'étend approximativement sur la moitié de la longueur totale dudit bulbe 2 à l'arrière du rotor des aubes de maintien externes 41 ne tourne pas: ledit compartiment arrière 2d du bulbe 2 est fixé au moyeu 3.
De l'air est confiné dans quatre compartiments du bulbe 2 dont trois sont mobiles : le nez 2a, la partie médiane 2c et le compartiment 2e du rotor des aubes de maintien externes 41. Le compartiment fixe est le compartiment arrière 2d du bulbe 2. Le volume d'air total, à profondeur donnée, donne une flottabilité neutre à la turbine 1 et la maintient en position horizontale. Ce volume dépend du poids de la turbine 1 , de celui de la portion du câble de maintien 100 et du câble électrique 101 située entre le mât 102 ou tube 103 profilés et le bulbe 2 et de la profondeur à laquelle turbine 1 et portion de câble de maintien 100 libre se trouvent.
Dans le bulbe 2, à l'avant ou à l'arrière des aubes de maintien 41 , 51 , se trouve la machinerie générant l'électricité (générateur, alternateur, régulateur). Les aubes des premier et second groupes d'aubes solidaires sont agencées pour que les aubes du premier groupe (aubes externes) tournant dans un premier sens génèrent la même force et tournent approximativement à la même vitesse que les aubes du second groupe (aubes internes) tournant dans un second sens opposé au premier quand les premier et second groupes d'aubes tournent librement (sans entraîner ni générateur, ni alternateur). Ainsi, la force rotative transversale générée par un seul groupe d'aubes est annulée.
A l'avant du bulbe 2, proche de l'extrémité avant 2a ou nez du bulbe 2, le rotor et l'axe des aubes régulatrices externes 40 sont solidaires du moyeu 3 via de préférence au minimum deux roulements à billes placés à l'avant et à l'arrière dudit rotor. Les rotors respectifs et l'axe des aubes régulatrices internes 50 et des aubes de maintien internes 51 sont solidaires du moyeu 3 via de préférence au minimum huit roulements à billes situés aux niveaux de l'avant et de l'arrière de chacun des rotors. Le rotor et l'axe des aubes de maintien externes 41 sont solidaires du moyeu 3 via de préférence au minimum deux roulements à billes situés à l'avant et à l'arrière dudit rotor.
A l'avant du bulbe 2, le bord d'attaque 40c, 50c des aubes régulatrices externes et internes 40, 50, proche de leur base 40a, 50a, forme un angle proche de 90° avec la tangente à la courbe formant le nez 2a du bulbe 2.
A leur sommet 40b, le bord d'attaque 40c des aubes régulatrices externes 40 se trouve à la hauteur de l'extrémité avant 2a du bulbe 2 (figures 5 et 8). Les aubes régulatrices 40, 50 et les aubes de maintien 41 , 51 ont une forme approchant celle d'une pale d'hélice. De leur base 40a, 50a, 41a, 51a à leur sommet 40b, 50b, 4 b, 51 , leur incidence augmente et la courbure de leur profil diminue. A leur sommet 40b, 50b, 41 b, 51 b, leur incidence transversale est égale à celle, longitudinale, de la spirale d'une aube hélicoïdale 42, 52 à ces endroits-ci. De leur base 40a, 50a à leur sommet 40b, 50b, l'incidence relative (transversale) des aubes régulatrices 40, 50 (incidence des aubes régulatrices par rapport au courant lorsque la turbine 1 fonctionne de façon optimale) passe approximativement de 15° à 5°. Les aubes de maintien 41 , 51 ont une incidence relative qui diminue de leur base à leur sommet et qui est en principe inférieure à celle des aubes régulatrices 40, 50. A proximité et en aval du sommet 50b des aubes régulatrices internes 50 et à proximité et en amont du sommet 51 b des aubes de maintien internes 51 , les aubes hélicoïdales 42, 52 ont approximativement une incidence longitudinale relative de 5°. Au niveau des aubes régulatrices et des aubes de maintien, l'incidence longitudinale des aubes hélicoïdales est nulle. Les incidences moyennes relatives de toutes les aubes sont approximativement égales à 10°. Leur incidence relative maximum est en principe inférieure ou égale à 15°. Les valeurs données de 5, 10 et 15° pour les incidences relatives des aubes sont conventionnelles et variables: elles dépendent de la vitesse du courant environnant les aubes. Les incidences optimales sont celles qui sont maximum sans générer de vortex, celles avec lesquelles les écoulements environnant les aubes (et le compartiment arrière 2d du bulbe 2) restent laminaires. Lorsque la turbine 1 atteint sa vitesse de rotation optimale, les écoulements environnant toutes les aubes sont laminaires. La turbine 1 a une vitesse de rotation maximum déterminée par l'apparition de la cavitation sur la partie postérieure des extrados des aubes ou, à plus grande vitesse, lorsque la cavitation devient trop importante.
Pour conserver des flux environnants laminaires, plus le courant est fort, plus les incidences relatives et les courbures des profils des aubes diminuent.
Comme illustré sur la figure 11 (pour les aubes régulatrices externes), le profil des aubes est aussi fin que le permettent les matériaux utilisés. Un arbre se trouve à l'intérieur des aubes, placé sur l'axe de répartition des pressions et dépressions, assurant la rigidité structurelle de l'aube (par exemple, arbre 40d dans les aubes régulatrices externes 40 et arbre 41 d dans les aubes de maintien externes 41 illustrés sur la figure 4). L'extrados de toutes les aubes est régulièrement convexe sur toute la longueur de leur profil. De la base 40a, 50a au sommet 40b, 50b des aubes régulatrices 40, 50 et de la base 41a, 51a au sommet 41b, 51b des aubes de maintien 41 , 51 , la portion concave de l'intrados i diminue: à partir de l'avant, elle passe approximativement de 3/4 de la longueur de la corde du profil à la moitié de celle-ci (figure 11 pour les aubes régulatrices externes 40 avec 40e désignant l'extrados et 40i désignant l'intrados). La portion restante arrière est convexe. La longueur des cordes c de toutes les aubes est constante.
Si la résistance de la structure d'un ensemble d'aubes solidaires (régulatrice, hélicoïdale et de maintien) et la stabilité longitudinale des aubes hélicoïdales 42, 52 le requièrent, approximativement à partir de 2/3 à 3/4 de leur longueur (selon leur taille) jusqu'à leur sommet, les aubes régulatrices 40, 50 et de maintien 41 , 51 et leur arbre sont dédoublés (figures 8, 9, 10 et 12). Le diamètre des arbres et la section des profils dédoublés y sont réduits et constants. La corde des profils dédoublés est réduite. Si la résistance des ensembles d'aubes solidaires le requiert, la corde des profils dédoublés augmente de plus en plus à proximité de leur sommet, à l'exception des doubles avant 150 des aubes régulatrices internes 50 et des doubles avant 141 des aubes de maintien externes 41. A l'avant de la turbine 1 , en allant vers l'extérieur, les doubles avant 140 des aubes régulatrices externes 40 sont courbés sur l'avant, les doubles arrière 250 des aubes régulatrices internes 50 sont courbés sur l'arrière. Le sommet des doubles avant 140 des aubes régulatrices externes 40 est fixée aux aubes hélicoïdales externes 42 à une petite distance de l'extrémité avant 42a de celles- ci. Le sommet des doubles arrière 250 des aubes régulatrices internes 50 est fixée aux aubes hélicoïdales internes 52 à l'extrémité 52a de celles-ci.
A l'arrière de la turbine 1 , en allant vers l'extérieur, les doubles avant 151 des aubes de maintien internes 51 sont courbés sur l'avant et les doubles arrière 241 des aubes de maintien externes 41 sont courbés sur l'arrière. Le sommet des doubles arrière 251 des aubes de maintien internes 51 est fixée à l'extrémité arrière 52b des aubes hélicoïdales internes 52. Le sommet des doubles arrière 241 des aubes de maintien externes 41 est fixé à une distance peu importante de l'extrémité arrière 42b des aubes hélicoïdales externes 42.
De la proximité de leur sommet jusqu'à celui-ci, le long du bord de fuite et dans l'alignement des profils des doubles avant 150 des aubes régulatrices internes 50 et des doubles avant 141 des aubes de maintien externes 41 , si le démarrage des premier et second groupes d'aubes (externes et internes) le requiert, sont fixés des ailerons 9 semi-rigides, approximativement en forme de «V» (figures 8, 9 et 10).
Pour compenser leur longueur moindre et les forces inférieures auxquelles elles sont soumises, les aubes internes du second groupe d'aubes ont un profil légèrement plus long avec une courbure légèrement inférieure à celle des aubes externes du premier groupe.
Le bord d'attaque de toutes les aubes, côté intrados, a une incidence relative approximativement nulle quand la turbine 1 atteint sa vitesse de rotation optimale.
Comme illustré sur la figure 13, les spirales décrites par les aubes hélicoïdales 42, 52 se contractent longitudinalement en aval des aubes régulatrices 40, 50 approximativement sur 2/3 à 3/4 de leur longueur. D'environ 5° à l'avant, en aval et à proximité du sommet des aubes régulatrices internes leur incidence longitudinale relative augmente pour atteindre un maximum en principe inférieur ou égal à 15°. A partir de 2/3 à 3/4 de leur longueur, les aubes hélicoïdales 42, 52 se dilatent longitudinalement pour atteindre une incidence relative longitudinale au niveau du bord d'attaque des aubes de maintien 41 , 51 égale à l'incidence transversale relative desdites aubes à leur sommet. Les spirales des aubes hélicoïdales externes 42 continuent en principe de se dilater en aval du niveau du bord de fuite des aubes de maintien externes jusqu'à leur extrémité arrière 42b. Sur cette portion, elles ont une action propulsive sur le vortex et diminuent l'épaisseur de la couche limite (volume du flux légèrement perturbé situé entre les écoulements non perturbé et perturbé). L'incidence longitudinale relative moyenne des spirales est approximativement égale à 10°. L'incidence longitudinale moyenne des spirales, la longueur des spires et celle de la turbine 1 , dépendent de la vitesse du courant. Plus il est fort, plus le rapport longueur/largeur d'une spire augmente. Vues de face (figure 6) et vues en plan ou de profil (figure 13), les spirales des aubes hélicoïdales 42, 52, en aval du sommet des aubes régulatrices internes 50, sont centripètes jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 arrière de leur longueur. A partir de ce point, les spirales des aubes hélicoïdales 42, 52 sont centrifuges, pour être régulières à proximité et en amont du niveau des aubes de maintien internes 51.
L'extrémité avant 42a des aubes hélicoïdales externes 42 se trouve légèrement en amont de l'extrémité avant 2a du bulbe 2 (figures 5 et 8). De leur extrémité 42a au niveau du bord de fuite des aubes régulatrices internes 50, les aubes hélicoïdales externes 42 n'ont pas d'incidences, ni transversale, ni longitudinale (figure 12). Leur rôle est de séparer le flux intérieur situé autour et à proximité de l'extrémité des aubes régulatrices externes 40 et le flux extérieur et d'augmenter le rendement des ces aubes régulatrices externes 40 à proximité de leur sommet 40b. Les sommets des aubes régulatrices internes 50 et externes 40 dédoublées ou non sont fixés aux aubes hélicoïdales internes 52, respectivement externes 42. A ces endroits, l'intrados des aubes régulatrices 40, 50 dédoublées ou non se trouve transversalement légèrement en aval du bord d'attaque des aubes hélicoïdales 42, 54. A ces endroits, le bord de fuite des aubes hélicoïdales 42, 52 est plus distant, en aval, transversalement, de l'extrados des aubes régulatrices 40, 50 dédoublées ou non.
A partir de leur extrémité avant 42a jusqu'au bord d'attaque des doubles avant 140 des aubes régulatrices externes 40, la longueur et l'épaisseur des profils des aubes hélicoïdales externes 42 augmentent franchement, puis de moins en moins (leur bord de fuite décrit une courbe décroissante et leur bord d'attaque est approximativement rectiligne), puis leur corde et leur épaisseur sont les mêmes jusqu'à proximité de leur extrémité arrière 42b (figure 9). De leur extrémité avant jusqu'à un point légèrement en amont du bord d'attaque des doubles avant 140 des aubes régulatrices externes 40, le profil des aubes hélicoïdales externes 42 est symétrique. De ce point jusqu'en aval et à proximité du bord de fuite des doubles arrière 240 des aubes régulatrices externes 40, les aubes hélicoïdales externes 42 ont un extrados intérieur. En aval de cette fraction, sur une courte distance, leur extrados et leur intrados s'inversent. Leur extrados est extérieur jusqu'à proximité et en amont du bord d'attaque des doubles avant 241 des aubes de maintien externes 41 (figure 9). A cet endroit, l'extrados et l'intrados des aubes hélicoïdales externes 42 s'inversent à nouveau. Leur intrados est intérieur jusqu'à proximité et en aval du bord de fuite des doubles arrière 241 des aubes de maintien externes 41.
A partir de ce point jusqu'à leur extrémité arrière 42b, les aubes hélicoïdales externes 42, ont un profil symétrique. A proximité de leur extrémité arrière 42b, les aubes hélicoïdales externes 42 ont un profil dont la longueur et l'épaisseur diminuent franchement. Leur forme y approche celle d'un demi disque.
L'extrémité avant 52a des aubes hélicoïdales internes 52 a approximativement la même forme que l'extrémité avant 42a des aubes hélicoïdales externes 42: leur bord de fuite décrit une courbe décroissante approchant la forme d'un quart de cercle. L'extrémité arrière 52b des aubes hélicoïdales internes 52 a une forme symétriquement opposée à celle de l'extrémité avant 42a des aubes hélicoïdales externes 42: le bord de fuite desdites aubes hélicoïdales internes 52 y décrit une courbe croissante proche de la forme d'un quart de cercle.
Les sommets des aubes de maintien internes dédoublées 51 sont fixés aux aubes hélicoïdales internes 52. A ces endroits, les bords d'attaque des aubes hélicoïdales internes 52 se trouvent transversalement légèrement en amont de l'intrados des doubles des aubes régulatrices internes 51 dédoublées et leur bord de fuite plus franchement en aval de l'extrados de ceux-ci. L'extrados des aubes hélicoïdales internes 52 est intérieur sur toute leur longueur, jusqu'à leur extrémité arrière 52b située au niveau du bord de fuite des doubles arrière 251 des aubes de maintien internes 51. A l'avant, à proximité et en aval du bord de fuite des doubles arrière 250 des aubes régulatrices internes 50, les aubes hélicoïdales internes 52 et externes 42 ont une incidence transversale et une courbure du profil de sens opposés qui croissent rapidement pour atteindre une incidence transversale relative proche de 5°, puis cette croissance est de moins en moins soutenue jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 arrière de leur longueur, endroit où leur incidence relative atteint un maximum en principe inférieur ou égal à 15°. Leur incidence transversale relative décroît à partir de ce point pour être nulle à proximité et en amont du niveau des doubles avant 151 des aubes de maintien internes 51. L'incidence transversale relative moyenne des aubes hélicoïdales internes et externes approche 10°.
Pour que la description qui suit soit claire, supposons des spirales non centripètes: les bords de fuite des aubes hélicoïdales 42, 52 restent sur les mêmes cercles sur toute leur longueur. Le bord d'attaque des aubes hélicoïdales externes 42, en aval du bord de fuite des doubles arrière 250 des aubes régulatrices internes 50, s'éloigne du moyeu 3, ce jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 arrière de leur longueur (l'incidence des aubes est croissante), puis s'en approche à nouveau à partir de ce point jusqu'à proximité, en amont des doubles avant 151 des aubes de maintien internes 51 (l'incidence décroît). L'incidence transversale des aubes hélicoïdales externes 42 est nulle à proximité et en amont du bord d'attaque des doubles avant 151 des aubes de maintien internes 51.
Inversement, le bord d'attaque des aubes hélicoïdales internes 52 s'approche du moyeu 3 à partir de la proximité du bord de fuite des doubles arrière 250 des aubes régulatrices internes 50 jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 arrière de leur longueur (l'incidence des aubes est croissante, opposée à celle des aubes externes), puis s'éloigne du moyeu 3 à partir de ce point, ceci jusqu'à proximité, en amont du bord d'attaque des doubles avant 151 des aubes de maintien internes 51 (l'incidence décroît), où il se retrouve avec le bord de fuite, sur le même cercle initial (incidence nulle). Lorsque la turbine 1 fonctionne, puisque les incidences (transversale et longitudinale) des aubes des deux groupes sont opposées, les aubes solidaires du premier groupe dites aubes externes génère un vortex, le long de leur bord de fuite, dont le sens de rotation est inverse à celui du vortex généré par les aubes du second groupe d'aubes solidaires dites aubes internes. A chaque croisement d'une aube externe avec une aube interne, sur toute leur longueur, les vortex se contrent et s'annihilent en bonne partie. Les vortex observables en aval de l'extrémité arrière des aubes hélicoïdales 42, 52 ainsi qu'en aval des aubes régulatrices internes 50 et des aubes de maintien externes 41 , sont de fait sensiblement réduits.
La turbine décrite ci-dessus en référence aux figures 4 à 13 présente des aubes et un bulbe dimensionnés pour des courants faibles à moyens.
Une seconde forme d'exécution d'une turbine selon l'invention et dimensionnée pour des courants forts (approximativement à partir de 2m/s) va maintenant être décrite en détail en référence aux figures 14 et 15 en particulier. Les aubes conçues pour courants faibles et moyens et celles pour courants forts étant semblables en bien des caractéristiques, la description ci-dessous ne décrit pas en détail lesdites caractéristiques. En particulier, dans cette deuxième forme d'exécution, les mêmes références désignent les mêmes parties ou éléments de la turbine.
La turbine 1 dimensionnée pour des courants fort est pourvue d'un premier groupe d'aubes solidaires comprenant au moins deux aubes hélicoïdales externes 42 formant chacune approximativement 3/4 à 5/6 d'une spire et au moins deux aubes de maintien externes 41 situées approximativement aux 2/3 de la longueur du bulbe 2 et développées essentiellement perpendiculairement au bulbe 2. Ainsi, le premier groupe d'aubes solidaires est formé d'au moins quatre aubes.
Chaque aube hélicoïdale externe 42 est fixée à son extrémité avant 42a prés de l'extrémité avant 2a du bulbe 2 et non loin de son extrémité arrière 42b au sommet 41 b d'une aube de maintien externe 41. Un ensemble solidaire est ainsi formé par une aube hélicoïdale et une aube de maintien. Le premier groupe d'aubes solidaires comprend donc au moins deux ensembles solidaires. Cependant pour plus de clarté, la figure 14 n'illustre qu'un de ces ensembles. Les aubes du premier groupe sont toutes agencées sur le bulbe 2 pour tourner dans un même premier sens.
La turbine 1 dimensionnée pour des courants fort est pourvue d'un second groupe d'aubes solidaires comprenant au moins deux aubes hélicoïdales internes 52 formant chacune approximativement 3/4 à 5/6 d'une spire et au moins deux aubes de maintien internes 51 situées approximativement au 2/3 de la longueur du bulbe 2 et développées essentiellement perpendiculairement au bulbe 2. Ainsi, le second groupe d'aubes solidaires est formé d'au moins quatre aubes et par conséquent, la turbine selon l'invention pour courant fort est composée d'au moins huit aubes.
Chaque aube hélicoïdale interne 52 est fixée à son extrémité avant 52a prés de l'extrémité avant 2a du bulbe 2 et à son extrémité arrière 52b au sommet 51 b d'une aube de maintien interne 51. Un ensemble solidaire est ainsi formé par une aube hélicoïdale et une aube de maintien. Le second groupe d'aubes solidaires comprend donc au moins deux ensembles solidaires. Les aubes du second groupe sont toutes agencées sur le bulbe 2 pour tourner dans un même second sens opposé au premier.
Le poids d'un couple d'aubes hélicoïdale et de maintien et celui de chacun des premier et second groupes d'aubes sont répartis de façon homogène autour du moyeu 3. Les premier et second groupes d'aubes tournant en sens opposé ont approximativement le même poids. Les premier et second groupes tournent approximativement à la même vitesse lorsqu'ils n'entraînent ni le générateur, ni l'alternateur.
Plus la vitesse du courant est importante, plus le rapport longueur/écartement des aubes hélicoïdales 42, 52 par rapport à la surface du bulbe augmente, plus la turbine, bulbe 2 inclus, s'allonge. La partie avant ou nez 2a du bulbe comprenant le rotor des aubes hélicoïdales externes 42 et le compartiment 2e du bulbe 2 comprenant le rotor des aubes de maintien externes 41 tournent avec les aubes externes formant le premier groupe d'aubes.
La partie médiane 2c du bulbe située entre le rotor des aubes hélicoïdales internes 52 et celui des aubes de maintien internes 51 et comprenant lesdits rotors tourne avec les aubes internes formant le second groupe d'aubes solidaires. Le compartiment arrière 2d du bulbe 2 (approximativement 1/3 de sa longueur dans cette forme d'exécution), à l'arrière du rotor des aubes de maintien externes 41 , ne tourne pas: ledit compartiment arrière 2d est fixée au moyeu 3 du bulbe 2.
Un des éléments qui doit être adapté pour que la turbine selon l'invention puisse être utilisée dans des courants forts est la forme du bulbe 2. Selon la deuxième forme d'exécution pour courants forts, les incidences positives autour du nez 2a du bulbe 2 sont inférieures à celles du nez 2a du bulbe 2 conformé pour courants faible et moyen. En aval et à proximité des aubes de maintien 41 , 51 , le bulbe 2 d'une turbine selon ladite deuxième forme d'exécution pour courant fort a un diamètre maximum dm et constant sur une fraction x de sa longueur. Plus la vitesse du courant augmente, plus cette fraction s'allonge. En aval de cette fraction x, des incidences négatives apparaissent et augmentent à la surface du bulbe 2 pour atteindre un maximum approximatif i'm de 5° à proximité de l'extrémité arrière 2b du bulbe 2. A partir de ce point, le diamètre du bulbe 2 diminue franchement. Cette section du bulbe 2 approche la forme d'une demi sphère (figure 14).
A l'avant, les aubes hélicoïdales externes 42 sont solidaires du moyeu 3 via de préférence au minimum deux roulements à billes situés à l'avant et à l'arrière du rotor desdites aubes. Les aubes hélicoïdales internes 52 sont solidaires du moyeu 3 du bulbe 2 via de préférence au minimum quatre roulements à billes situés aux niveaux de l'avant et de l'arrière du rotor desdites aubes hélicoïdales internes 52. Les aubes de maintien internes 51 sont solidaires du moyeu 3 via de préférence au minimum quatre roulements à billes situés aux niveaux avant et arrière des rotors de ces aubes et les aubes de maintien externes 41 via de préférence au minimum deux roulements à billes, situés à l'avant et à l'arrière des rotors desdites aubes de maintien externes.
A l'avant, vu de profil, le bord d'attaque des aubes hélicoïdales 42, 52, proche de leur base 42a, 52a, forme approximativement un angle de 90° avec la tangente à la courbe formant le nez 2a du bulbe 2 (figure 14). Depuis leur base 42a, 52a jusqu'à un point approximativement proche de leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales 42, 52 sont bombées vers l'avant. Le point le plus en amont de l'arrondi se situe approximativement aux 3/4 extérieurs de l'écartement maximum des aubes hélicoïdales par rapport au bulbe (il dépend de la taille des aubes). Concernant les aubes hélicoïdales externes 52, il se trouve à la hauteur de l'extrémité avant 2a du bulbe 2.
A l'avant, vue de profil (figure 16), à partir, approximativement, des 3/4 extérieur de l'écartement maximum des aubes hélicoïdales (selon leur taille), leur courbure s'accentue vers l'arrière, puis diminue avant que les aubes hélicoïdales n'atteignent leur écartement maximum.
Vues de face (figure 15), les aubes hélicoïdales 42, 52 décrivent une courbe opposée à leur sens de rotation. Apparaissant à proximité de leur base, cette courbe augmente de plus et plus, s'accentue environ au 3/4 extérieur de l'écartement maximum des aubes (selon la taille des aubes) pour diminuer ensuite et former un cercle à l'écartement maximum des aubes hélicoïdales 42, 52.
A l'avant, l'incidence des aubes hélicoïdales 42, 52 augmente, leur incidence relative et leur courbure diminuent de leur base 42a, 52a jusqu'au point où elles atteignent leur écartement maximum. A l'avant de la turbine 1 , à partir du point le plus en amont atteint par les aubes hélicoïdales 42, 52 jusqu'à leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales 42, 52 passent d'un développement sur un plan essentiellement perpendiculaire au courant à un développement sur un plan essentiellement parallèle au courant. Entre ces deux points, leurs incidences transversale et longitudinale s'entremêlent. On peut les additionner une fois modulées par des coefficients qui évoluent tout au long de ce segment. A proximité de leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales 42, 52 s'orientent sur le même plan que le courant, elles ont amorcé leur spirale et leurs bords d'attaque et de fuite se sont inversés. Au point où elles atteignent leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales externes 42 ont une incidence transversale nulle. Leur incidence longitudinale relative est approximativement égale à 5°.
Au point où les aubes hélicoïdales internes 52 atteignent leur écartement maximum, leur incidence transversale relative est de 5°, c'est-à-dire que leur incidence transversale relative, à l'avant de la turbine, sur le plan vertical puis horizontal, n'est jamais inférieure, approximativement à 5°, ceci pour compenser leur longueur moindre et les forces inférieures qui leur sont soumises, par rapport aux aubes hélicoïdales externes 42. A ce point-ci, l'incidence longitudinale relative des aubes hélicoïdales internes 52 est d'environ 5°. Les cordes de toutes les aubes sont constantes.
A l'avant, le long du bord de fuite et dans l'alignement des profils des aubes hélicoïdales internes 52, approximativement autour des points où elles sont situées le plus en amont (3/4 de leur écartement maximum, selon leur taille), s'ils sont nécessaires au démarrage du groupe d'aubes internes, sont fixés des ailerons mi-rigides 10 approximativement en forme de «D».
D'un point peu éloigné du sommet des aubes de maintien externes 42 jusqu'à celui-ci, le long de leur bord de fuite et dans l'alignement de leur profil, s'ils s'avèrent nécessaires au démarrage du groupe d'aubes externe, sont fixés des ailerons mi-rigides 9, approximativement en forme de «V». Le premier et le deuxième groupes d'aubes (internes et externes) tournent approximativement à la même vitesse quand ils n'entraînent ni le générateur, ni l'alternateur.
Les spirales décrites par les aubes hélicoïdales 42, 52 se contractent iongitudinalement à partir de leur écartement maximum, approximativement jusqu'à 2/3 à 3/4 de la longueur de leur spirale prise à partir de leur écartement maximum par rapport au bulbe 2. A partir de ce point, les spirales se dilatent pour atteindre aux niveaux des bords d'attaque des sommets des aubes de maintien 41 ,51 , une incidence relative longitudinale égale à l'incidence relative transversale desdites aubes de maintien à ces endroits-ci. Les spirales des aubes hélicoïdales externes 42 continuent en principe de se dilater en aval du sommet 41 b des aubes de maintien externes 41 jusqu'à leur extrémité 42b et ont une action propulsive.
Vues de face, à l'avant, les spirales des aubes hélicoïdales 42, 52, à partir de leur écartement maximum, suivent des courbes centripètes jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 de leur longueur (prise à partir de l'écartement maximum des aubes). A partir de ce point, les courbes des spirales sont centrifuges, pour être régulières en amont et à proximité du niveau des sommets 51 b des aubes de maintien internes 51 .
Les aubes hélicoïdales externes 42, à partir de leur écartement maximum jusqu'à proximité et en amont du niveau du bord d'attaque des aubes de maintien internes 51 , ont un extrados extérieur. Autour de ce point, leur extrados passe de l'extérieur à l'intérieur jusqu'à proximité et en aval du niveau du bord de fuite des aubes de maintien externes 41 . En aval de ce niveau jusqu'à leur extrémité arrière, les aubes hélicoïdales externes 42 ont un profil symétrique dont la longueur diminue franchement à proximité de leur extrémité arrière 42b, laquelle a une forme approchant celle d'un demi disque.
L'extrados des aubes hélicoïdales internes 52 se trouve sur l'intérieur sur toute leur longueur.
A l'avant, en aval de leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales externes 52 ont une courbure de profil et une incidence transversale qui croissent rapidement pour atteindre une incidence relative de 5°, puis cette croissance est de moins en moins soutenue jusqu'à approximativement 2/3 à 3/4 de la longueur de leur spirale (prise à partir de l'écartement maximum des aubes), où leur incidence relative atteint approximativement 15° maximum. Leur incidence transversale et la courbure de leur profil décroissent à partir de ce point pour disparaître à proximité et en amont du niveau des aubes de maintien internes 51.
A leur écartement maximum, les aubes hélicoïdales internes 52 ont une incidence transversale relative de 5°. En aval de ce point, leur incidence transversale relative et la courbure de leur profil sont croissantes, de moins en moins, pour atteindre 15° maximum à un point situé approximativement entre 2/3 et 3/4 de la longueur de leur spirale prise à partir de l'écartement maximum des aubes. Leur incidence et la courbure de leur profil décroissent à partir de ce point pour disparaître à proximité et en amont du bord d'attaque des aubes de maintien internes 51.
Supposons des spirales non centripètes: les bords de fuite des aubes hélicoïdales 42, 52 restent sur les mêmes cercles (interne et externe) sur toute leur longueur. Le bord d'attaque des aubes hélicoïdales externes 42 en aval de leur écartement maximum, s'éloigne du moyeu 3 jusqu'à un point situé approximativement entre 2/3 et 3/4 de la longueur des spirales des aubes prise à partir de leur écartement maximum (l'incidence des aubes est croissante), puis s'en rapproche à nouveau (leur incidence décroît) jusqu'à proximité et en amont du niveau des aubes de maintien internes 51. A ce niveau, l'incidence des aubes hélicoïdales externes 42 redevient nulle.
Inversement, le bord d'attaque des aubes hélicoïdales internes 52 s'approche du moyeu 3 à partir de leur écartement maximum jusqu'à un point situé approximativement entre 2/3 et 3/4 de la longueur des spirales des aubes (incidence croissante), puis s'en éloigne (incidence décroissante), ceci jusqu'à proximité et en amont du niveau des aubes de maintien internes 51 , où il se retrouve avec le bord de fuite sur le même cercle initial (incidence nulle).
De manière générale, selon l'invention, la turbine conçue pour courant fort comprend donc un bulbe sur lequel sont fixés un premier et un second groupe d'aubes. Le premier et second groupes comprennent chacun au moins deux aubes hélicoïdales s'étendant, sur l'avant, essentiellement et approximativement perpendiculairement au bulbe et sur le reste de leur longueur essentiellement et approximativement parallèlement au bulbe, et autant d'aubes de maintien s'étendant essentiellement perpendiculairement au bulbe, situées entre la moitié et 2/3 de la longueur dudit bulbe, les aubes hélicoïdales étant fixées à une première extrémité à l'extrémité avant du bulbe tandis que leur deuxième extrémité est fixée à une aube de maintien. Le premier groupe et le second groupe d'aubes sont agencés pour tourner dans des sens opposés, le second tournant dans l'espace délimité par les aubes du premier groupe.
Selon l'invention, les incidences transversale et longitudinale des aubes hélicoïdales, une fois modulées par des coefficients qui évoluent sur toute la longueur de ces aubes, peuvent être additionnées pour obtenir la force totale obtenue. Cette force, selon l'invention, est supérieure à celle obtenue avec des aubes en situation similaire opposant une incidence deux fois plus grande, uniquement transversale au courant, car les écoulements autour des aubes hélicoïdales sont laminaires.
Selon l'invention, c'est l'addition de l'augmentation du diamètre du bulbe (légère augmentation de la vitesse du flux à la hauteur des aubes hélicoïdales) et de la concentricité des aubes hélicoïdales vers l'arrière qui est efficiente. L'espace entre le bulbe et les aubes hélicoïdales diminue de plus en plus, en allant vers l'arrière, puis de moins en moins (à partir de 2/3 à 3/4 de la longueur des aubes hélicoïdales prise à partir de leur écartement maximum), pour être constant en amont et à proximité des aubes de maintien. Il est semblable à celui d'une tuyère de réacteur.
La concentricité des aubes hélicoïdales internes leur permet de fonctionner dans un flux qui n'est légèrement perturbé que par les aubes régulatrices. Le rôle de la concentricité des aubes hélicoïdales est également de concentrer les vortex apparaissant le long de leur bord de fuite, donc de réduire le diamètre du flux perturbé et le volume de fluide ralenti en aval de la turbine. La vitesse de rotation de la turbine selon l'invention est proportionnelle à la vitesse du courant mais elle n'est jamais très élevée. Les aubes sont de préférence en acier et l'essentiel du poids des ensembles d'aubes se trouve non loin de l'écartement maximum de celles-ci par rapport au moyeu.
De manière générale, les aubes hélicoïdales de la turbine se développent sur la moitié à 2/3 de la longueur du bulbe et le diamètre maximum du bulbe se trouve entre sa mi-longueur et 2/3 arrière la longueur de celui-ci.
La turbine selon l'invention présente encore l'avantage de pouvoir être placée en série sur un même site. En effet, la turbine selon l'invention étant conformée pour limiter les perturbations engendrées par son fonctionnement, elle ne gêne pas une turbine similaire qui serait placée à proximité.
En variante, selon la force du courant, les aubes hélicoïdales peuvent être fixées au bulbe via des aubes régulatrices s'étendant essentiellement perpendiculairement à la surface du bulbe à l'extrémité avant dudit bulbe.

Claims

Revendications
1. Turbine pour générer de l'électricité à partir d'un courant fluide comprenant :
• un bulbe central (2);
• un premier et un second groupes d'aubes montés chacun sur le bulbe (2);
• le premier groupe d'aube étant agencé pour tourner dans un premier sens sous l'action du courant, et le second groupe d'aubes étant agencé pour tourner dans un second sens opposé au premier sous l'action du courant, les aubes dudit second groupe étant de plus agencées pour tourner dans l'espace délimité par les aubes du premier groupe;
caractérisée par le fait que les premiers et seconds groupes comprennent chacun au moins deux aubes hélicoïdales (42, 52) et au moins deux aubes de maintien (41 , 51 ); par le fait que dans chacun des premier et second groupes, le nombre d'aubes hélicoïdales (42, 52) est égal au nombre d'aubes de maintien (41 , 51 ); par le fait que les aubes de maintien (41 , 51 ) ont leur base (41a, 51a) fixé au bulbe (2) et s'étendent essentiellement perpendiculairement par rapport au bulbe (2) ; et par le fait que chaque aube hélicoïdale (42, 52) est fixée à une première extrémité (42a, 52a) à l'extrémité avant (2a) du bulbe (2) et à une second extrémité (42b, 52b) ou à proximité de celle-ci, au sommet (41b, 51b) d'une aube de maintien (41 , 51 ).
2. Turbine selon la revendication 1 , caractérisée par le fait que les premier et second groupes d'aubes comprennent en outre chacun au moins deux aubes régulatrices (40, 50), le nombre d'aubes régulatrices étant égal au nombre d'aubes hélicoïdales (42, 52) ; par le fait que lesdites aubes régulatrices sont développées essentiellement perpendiculairement à la surface du bulbe (2) et leurs bases (40a) sont situées près de l'extrémité avant (2a) du bulbe (2) et par le fait que chaque aube hélicoïdale (42, 52) est fixée à sa première extrémité (42a, 52a) ou à proximité de celle-ci au sommet (40b, 50b) d'une aube régulatrice (40, 50), chaque aube hélicoïdale (42, 52) étant donc fixée à une première extrémité (42a, 52a) à l'extrémité avant (2a) du bulbe (2) par l'intermédiaire desdites aubes régulatrices (40, 50).
3. Turbine selon l'une de revendications précédentes, caractérisée par le fait que le bulbe (2) a un diamètre maximum (dm) et constant sur une fraction (x) de sa longueur située à l'arrière des aubes de maintien (41 , 51 ), le diamètre du bulbe 2 diminuant régulièrement en aval de cette fraction (x) et des incidences négatives apparaissant à la surface du bulbe (2) augmentent de plus en plus pour atteindre un maximum approximatif (im, i'm) à proximité de l'extrémité arrière (2b) du bulbe (2), le diamètre du bulbe (2) diminuant de plus en plus à proximité de l'extrémité arrière (2b) du bulbe (2), la forme du bulbe (2) approchant alors celle d'une demi sphère.
4. Turbine selon la revendication 3 caractérisée par le fait que le maximum approximatif (im, i'm) des incidences négatives du bulbe (2) est compris entre 5 et 15 degrés.
5. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le second groupe d'aubes comprend en outre autant d'aubes de maintien supplémentaires (53) que d'aubes hélicoïdales (52), lesdites aubes de maintien supplémentaires (53) s'étendant essentiellement perpendiculairement au bulbe (2) et étant fixées à leur base audit bulbe (2) entre l'extrémité avant (2a) dudit bulbe et la base (51a) d'une aube de maintien et à leur sommet à une aube hélicoïdale (52) dudit second groupe d'aubes.
6. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le bulbe (2) présente au moins un compartiment destiné à recevoir les appareillages électriques nécessaires à la production d'électricité.
7. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le bulbe (2) présente des zones remplies d'air et réparties sur sa longueur pour assurer la neutralité de la flottabilité et le positionnement horizontal de la turbine une fois immergée.
8. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les aubes hélicoïdales (42, 52) des premier et second groupes d'aubes forment chacune entre 3/4 et 5/6 d'une spire.
9. Turbine selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les spirales formées par les aubes hélicoïdales (42, 52) sont centripètes en aval de l'extrémité avant (2a) du bulbe (2) jusqu'aux 2/3 à 3/4 de la longueur desdites aubes hélicoïdales (42, 52) prise à partir de leur écartement maximum par rapport au bulbe (2), les spirales étant centrifuges à partir de ce point pour être régulières à l'extrémité arrière (42b, 52b) desdites aubes hélicoïdales.
10. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les aubes de maintien (41 , 51 ) sont dédoublées à partir des 2/3 à 3/4 de leur longueur depuis le bulbe (2).
11. Turbine selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisée par le fait que les aubes régulatrices (40, 50) sont dédoublées à partir de 2/3 à 3/4 de leur longueur depuis le bulbe (2).
12. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'un aileron semi-rigide (9) est fixé sur chacune des aubes de maintien (41 ) du premier groupe d'aubes, l'aileron étant destiné à faciliter le démarrage de la rotation dudit premier groupe d'aubes.
13. Turbine selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisée par le fait qu'un aileron semi-rigide (9) est fixé sur chacune des aubes régulatrices du second groupe d'aubes, l'aileron étant destiné à faciliter le démarrage de la rotation dudit second groupe d'aubes.
14. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'un aileron semi-rigide (10) est fixé sur chacune des aubes hélicoïdales (52) du second groupe d'aubes, l'aileron étant destiné à faciliter le démarrage de la rotation dudit second groupe d'aubes.
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