WO2017046328A1 - Rotor d'éolienne à axe vertical et éolienne à axe vertical comprenant un tel rotor - Google Patents

Rotor d'éolienne à axe vertical et éolienne à axe vertical comprenant un tel rotor Download PDF

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WO2017046328A1
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WO
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blade
rotor
axis
rotation
hub
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PCT/EP2016/071966
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Frédéric SILVERT
Christophe LAPONCHE
Marco-Filipe ALVES
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Nenuphar
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the field of vertical axis wind turbines (designated in English by the acronym VAWT for "Vertical Axis Wind Turbine”).
  • a vertical axis wind turbine has a support structure and a rotor rotatably mounted about a substantially vertical axis of rotation on the support structure, the rotor having blades for driving the rotor in rotation under the action of wind.
  • the wind In a vertical axis wind turbine, the wind generates on the rotor a moment of aerodynamic overturn tending to tilt the rotor.
  • the rotor In the case of a vertical axis wind turbine comprising a floating support structure, the rotor also undergoes an inertial reversal moment due to the pitching and rolling movements of the floating support structure.
  • the floating support structure must then be dimensioned to resist over time at this moment of overturning and to ensure the stability of the vertical axis wind turbine on the water, despite this moment of overturning, which increases its manufacturing cost.
  • One of the aims of the invention is to propose a wind turbine with a vertical axis making it possible to limit the effects of the moment of overturning experienced by the rotor.
  • the invention proposes a vertical axis wind turbine rotor, the rotor having an axis of rotation and comprising a hub, blades distributed around the hub, pairs of arms each carrying a respective blade, each pair of arms. comprising a lower arm and an upper arm extending radially from the hub to the blade diverging from each other, the blades extending between a lower horizontal plane and an upper horizontal plane, in which the hub and the center rotor gravity are offset on the same side relative to a median horizontal plane located midway between the lower horizontal plane and the upper horizontal plane, along the axis of rotation.
  • the rotor optionally includes one or more of the following features, taken individually or in any technically feasible combination:
  • each blade is substantially parallel to the axis of rotation or diverges upwards with respect to the axis of rotation in a tangential direction perpendicular to a radial direction passing through the hub of the blade, with a non-zero angle included preferably between 0 ° and 10 °, the hub and the rotor center of gravity being offset upwards relative to the median horizontal plane;
  • each blade converges upward with respect to the axis of rotation in a view along a tangential direction perpendicular to a radial direction passing through the middle of the blade, with a non-zero angle preferably comprised between 0 ° and 10 °, the hub and the center of gravity of the rotor being offset downward relative to the median horizontal plane;
  • each blade has a non-zero angle with the axis of rotation in a radial direction passing through the middle of the blade, preferably an angle of between -30 ° and + 30 °;
  • the hub of the rotor has a height less than twice its outer diameter overall
  • each blade has a linear mass varying along their length, each blade has an upper half strictly heavier than its lower half or an upper half strictly less heavy than its lower half;
  • the blades are variable pitch, each blade being connected to each arm of a pair of arms carrying the blade by an articulated arm-blade link allowing rotation about a primary axis of wedging, at least one arm-blade connection further allowing at least one rotation about a minor axis at a non-zero angle with the primary axis;
  • At least one arm-blade connection allows rotation about two secondary axes forming a non-zero angle between them;
  • At least one arm-blade connection allows a rotation around a first collinear secondary axis with the arm and a second horizontal and tangential secondary axis.
  • the invention also relates to a vertical axis wind turbine comprising a support structure, in particular a floating support structure, carrying at least one rotor as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a vertical axis wind turbine
  • FIG. 2 and 3 are schematic front views of wind turbines with vertical axis according to variants
  • FIG. 4 is a schematic view of an arm-blade connection between an arm and a blade of a wind turbine rotor
  • FIG. 5 is a schematic side view of a wind turbine according to a variant.
  • the vertical axis wind turbine 2 of Figure 1 comprises a rotor 4 carried by a support structure 6, the rotor 4 being rotatably mounted on the support structure 6 about a substantially vertical axis of rotation A.
  • the terms “vertical”, “horizontal”, “upper”, “lower”, “up” and “down” refer to the vertical direction of the axis of rotation A of the rotor. 4 of the wind turbine 2.
  • the support structure 6 is floating.
  • the wind turbine 2 is floating and can be installed on a body of water, for example at sea or on a lake.
  • the support structure 6 is preferably anchored to the bottom of the body of water.
  • the support structure 6 comprises a floating structure 8 and a mast 10 carried by the floating structure 8.
  • the floating structure 8 is here schematically represented by a float type "buoy-pencil". In practice it may comprise several floats spaced to provide greater stability by being interconnected by beams or spacers, the support structure being further possibly stiffened by the implementation of braces.
  • the rotor 4 comprises a hub 12 and several blades 14 distributed angularly, preferably uniformly, around the axis of rotation A of the rotor 8. Each blade 14 is derived from a following blade 14 by rotation around the axis of rotation At an angle equal to 360 ° divided by the number of rotor blades 4.
  • the blades 14 are elongated and profiled aerodynamically in cross section. Each blade 14 is able to generate lift. Each blade 14 has a wing profile and has a lower surface and an upper surface extending between a leading edge and a trailing edge.
  • each blade 14 extends rectilinearly along its length. This facilitates the manufacture of the blades 14.
  • Each blade 14 is carried by a pair of arms 16 connecting the blade 14 to the hub 12.
  • Each blade 14 is carried by a pair of arms 16 dedicated to the blade 14.
  • the arms 16 of each pair of arms 16 carry a single blade 14
  • Each pair of arms 16 comprises an upper arm 16 and a lower arm 16.
  • Each arm 16 is here substantially rectilinear.
  • the two arms 16 of each pair of arms 16 diverge vertically from one another from the hub 12 to the blade 14 carried by these arms 16.
  • the inner ends of the arms 16 connected to the hub 12 are closer to each other than the ends external arms 16 linked to the blade 14 carried by these arms 16.
  • the lower arm 16 extends obliquely upwards and the lower arm 16 extends obliquely downwards relative to the horizontal .
  • the rotor 4 here comprises two blades 14 diametrically opposite to the axis of rotation A of the rotor 4.
  • the rotor 4 comprises at least three blades, for example example exactly three blades distributed at 120 ° around the axis of rotation of the rotor 4 or four blades distributed at 90 ° around the axis of rotation of the rotor 4.
  • the hub 12 is "compact”. Preferably, it has an overall height HM
  • the ratio of the overall height of the hub 12 to the height of the blades is included between 3% and 15%, and preferably less than 5%.
  • the rotor 4 having a compact hub 12 and two blades 14 each carried by a pair of diverging arms 16 has a general shape in "X" conferred by the two pairs of arms 16.
  • the arms 16 of each pair of arms 16 join the hub being substantially contiguous or concurrent.
  • the hub 12 is rotatably mounted at the upper end of the mast 10 by means of a rotation guide assembly 18 taking up the axial forces and the radial forces relative to the axis of rotation A, as well as the moment of overturning. of the rotor 4 relative to the mast 10.
  • the rotational guiding assembly 18 is located at the upper end 10A of the mast 10. In particular, the rotation guiding assembly 18 is received inside the hub 12.
  • the rotation guide assembly 18 is for example an orientation ring.
  • the blades 14 extend between the lower horizontal plane PHI passing through the lower ends of the blades 14 and an upper horizontal plane PHS passing through the upper ends of the blades 14.
  • the hub 12 and the center of gravity G of the rotor 4 are offset along the axis of rotation A on the same side with respect to a median horizontal plane PHM situated vertically at mid-distance between the lower horizontal plane PHI and the upper horizontal plane PHS.
  • the blades 14 extend substantially parallel to the axis of rotation of the rotor 4.
  • the blades 14 are substantially vertical.
  • the center of gravity G of the rotor 4 and the hub 12 are shifted upwards relative to the median horizontal plane PHM.
  • the aerodynamic thrust center of the rotor 4 is generally shifted upwards. This is due to the fact that the wind is stronger at the top of the rotor than at the bottom of the rotor because of the wind shear effect.
  • the aerodynamic thrust center of the rotor 4 varies according to the wind conditions, in particular the wind speed, and in particular according to whether the shearing effect is more or less pronounced.
  • different scenarios of wind conditions are taken into account, in particular by simulation, to determine a range of vertical positions of the aerodynamic center of the rotor for predetermined wind conditions.
  • the offset of the hub 12 upwards makes it possible to bring the hub 12 closer to the center of aerodynamic thrust, at least for the wind conditions determined for the design of the wind turbine 2. By bringing the hub 12 closer to the center of aerodynamic thrust, it is It is possible to reduce the overturning moment that must be taken up by the rotation guide assembly 18.
  • the shift of the center of gravity G on the same side of the median horizontal plane PHM as the hub 12 makes it possible to minimize the moment of overturning of the rotor 4 which is due to the weight of the rotor and which must be taken up by the guide assembly 18. This is especially true for the floating wind turbine 2 which is subjected to inclinations and movements, in particular roll, pitch and heave, of the floating structure 8 subjected to the swell and / or the current of the expanse of water.
  • the blades 14 have a linear mass varying along their length.
  • the upper halves of the blades are heavier than their lower halves.
  • the upper parts of the blades 14 are more reinforced than the lower parts of the blades 14, and therefore heavier, to account for the stronger wind at the top of the blades 14 than at the bottom of the blades 14 because of the effect wind shear.
  • the reinforcement of the upper parts of the blades 14 tends to move the center of gravity of the rotor upwards.
  • the blades 14 diverge from each other upwards with respect to the axis of rotation A in a tangential direction perpendicular to the radial direction passing substantially through the middle of the blade 14 (seen in FIG. 2 for both blades 14).
  • the middle of the blade 14 is the point equidistant from the ends of the blade 14 in the direction of the length of the blade 14.
  • the radial and tangential directions are considered with respect to the axis of rotation A.
  • a radial direction is perpendicular to the axis of rotation A and passes through the axis of rotation A.
  • a tangential direction is orthogonal to the axis of rotation A.
  • each blade 14 makes a non-zero angle with the axis of rotation A.
  • the angle between each blade 14 and the axis of rotation A is between 0 ° and 10 °.
  • the center of thrust is generally shifted upward relative to the median horizontal plane PHM, because of the wind shear effect, and also because the upper parts of the blades are subjected to a relative wind and centrifugal forces higher than their lower parts due to the higher radius of the rotor 4 at the top than at the bottom.
  • the upper arms 16 and / or their connections with the blades 14 must be longer than the lower arms 16 and / or their links with the blades 14. Also, the center of gravity is shifted upwards, and this is as much as the upper parts of the blades 14 are more reinforced and see a stronger wind, and are therefore subjected to centrifugal and aerodynamic forces higher than the lower parts of the blades 14.
  • the blades 14 are configured as "inverted dihedron". Each blade 14 is oblique with respect to the axis of rotation A and converges upward with respect to the axis of rotation A in a tangential direction perpendicular to the radial direction passing through the middle of the blade 14 (view Figure 2 for both blades).
  • this blade 14 forms a non-zero angle with the axis of rotation A.
  • the angle between each blade 14 and the axis of rotation A of the rotor 4 is between 0 ° and 10 °.
  • the lower arms 16 and / or their links with the blades 14 must be longer than the upper arms 16 and / or their links with the blades 14. Also, the center of gravity is shifted downwards.
  • the hub 12 and the center of gravity G are offset downward relative to the median horizontal plane PHM.
  • the arms 16 of each pair of arms 16 are connected to the blade 14 which they carry at a distance from the ends of the blade 14.
  • the length LA of the lower end portion 14A of each blade 14 located between the arm-blade connection 24 linking the lower arm 16 to the blade 14 and the lower end of the blade 14 is preferably between 15% and 35%. % of the total length of the blade 14 taken between its lower and upper ends, and preferably between 25% and 35% for a rotor 4 as shown in Figure 1, comprising substantially vertical blades 14.
  • the length LB of the upper end portion 14B of each blade 14 situated between the arm-blade connection 24 linking the upper arm 16 to the blade 14 and the upper end of the blade 14 is preferably between 15% and 30%. % of the total length of the blade 14 taken between its lower and upper ends, and preferably between 15% and 30% for a rotor 4 as shown in Figure 1, comprising substantially vertical blades 14.
  • the blades 14 are variable pitch.
  • each blade 14 is connected to each arm 16 which carries it by an articulated arm-blade connection 24 allowing a rotation of the blade 14 with respect to the arm 16 around a primary axis of rotation, or axis wedge C extending substantially in the direction of extension of the blade 14, so as to change the wedging angle of the blade.
  • the angle of wedging is the angle, in a horizontal plane located at the level of the wedging system (plane of Figure 4), between the rope of the blade 14, which is the straight segment connecting the leading edge 14C and the trailing edge 14D of the blade 14 seen in section, and the trajectory tangent described by the wedge axis C in the horizontal plane considered.
  • the axis C is substantially parallel to the axis of rotation (in particular in the variant of Figure 1) or slightly oblique with respect to the axis of rotation (in particular in the variants of Figures 2 and 3).
  • Each wind turbine 4 comprises a wedging control device 26 associated with each blade 14, to control the rotation of the blade 14 about the wedge axis C of this blade 14, that is to say to control the angle of wedging of this blade.
  • the stall control device 26 comprises at least one actuator 28 arranged to rotate the blade 14 about the stall axis C when actuated.
  • the actuator 28 is for example a hydraulic jack, an electric jack or an electric motor possibly associated with a speed reducer.
  • the actuator 28 shown in Figure 3 is an electric cylinder.
  • the wedging control device 26 comprises an actuator 28 between each arm 16 carrying a blade 14 and this blade 14. In a variant, it comprises an actuator 28 arranged between only one of the two arms 16 carrying the blade 14 and this blade 14.
  • At least one of the arm-blade connections 24 connecting each blade 14 to an arm 16, and preferably to each arm-blade connection 24 connecting each blade 14 to an arm 16, allows a rotation about at least one secondary axis of rotation forming a non-zero angle with the setting axis C.
  • the arm-blade connection 24 illustrated in FIG. 4 allows a rotation about the stall axis C as well as a rotation around a first secondary rotation axis B1, here substantially collinear with the arm 16, and a rotation around it a second secondary axis of rotation B2, substantially horizontal and tangential to the axis of rotation of the rotor.
  • the arms 16 are rigidly connected to the hub 12. The arms 16 are stationary relative to the hub 12.
  • the arm-blade connection 24 comprises a base 30 mounted at the end of the arm 16 and being freely pivotable relative to the arm 16 around the first secondary rotation axis B1, a support 32 mounted on the base 30 being freely pivotable relative to the base 30 about the second secondary axis of rotation B2, the blade 14 being connected to the support 32 by being pivotable about the stall axis C.
  • the actuator 28 is arranged connected to the support 32 and to the blade 14 to control the orientation of the blade 14 relative to the support 30 around the timing axis C.
  • an arm-blade connection 24 allowing rotation around at least one secondary axis of rotation forming a non-zero angle with the stall axis C makes it possible to release the stresses between the arm 16 and the blade 14, and thus to reduce the stresses on the blade 14, the arm 16 and the arm-blade connection 24. It is thus possible to design and produce a blade, a arm and a lighter arm-blade connection.
  • the rotor 4 comprises beams 34, each beam 34 connecting the hub 12 to a connection point of a respective blade 14, the connection point being situated between the linkages blade 24 between this blade 14 and the arms 16 carrying this blade.
  • Each beam 34 is connected to the corresponding blade 14 and the hub 12 by hinges 36 allowing at least one degree of freedom in rotation, preferably a ball joint.
  • the beam 34 is adapted to take tensile and compressive forces.
  • the beams 34 make it possible to limit the bending stresses in the blades 14 by providing an intermediate point of attachment between the arm-blade links 24.
  • the articulated links 36 avoid generating additional stresses mainly in the blades 14.
  • each blade 14 extends obliquely with respect to the axis of rotation A, in a direction of extension coplanar with the axis of rotation A (here in the plane of Figures 2 and 3).
  • a blade 14 oblique with respect to the axis of rotation A extends in a non-coplanar extension direction with the axis of rotation A.
  • the blade 14 is a non-zero angle with the axis of rotation A.
  • a blade extending obliquely with respect to the axis of rotation A extends so that:
  • the blade is at a non-zero angle with the axis of rotation A, preferably an angle between -10 ° and + 10 °; and or
  • the blade makes a non-zero angle with the axis of rotation A, preferably an angle of between -30 ° and
  • the invention it is possible to have a rotor whose positions of the hub and center of gravity are adjusted relative to each other and with respect to the aerodynamic center of thrust of the rotor under conditions of determined, so as to optimize their relative positions to minimize in particular the moment of overturning of the rotor with respect to the support structure, due to the aerodynamic thrust, to the gravity, and also to the inertia in the case of a structure floating support, which is itself moving because of the movements of the floating structure subjected to swell and the current of the body of water on which the wind turbine is installed.
  • the configuration of the rotor with a compact hub and pairs of arms which support the blades, and whose arms diverge, also allows to have a rotor whose center of gravity is close to the upper end of the mast.
  • the blades can descend relatively low relative to the upper end of the mast, which lowers the center of gravity.
  • the rotor has no shaft extending downwardly to the lower end of the mast for rotating the rotor.
  • Such a shaft considerably weighs the rotor and requires to provide a support structure reinforced by consequently, heavier and more voluminous, to the detriment of the simplicity and cost of manufacturing the wind turbine.

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Abstract

Rotor d'éolienne à axe vertical, le rotor (4) présentant un axe de rotation (A) et comprenant un moyeu (12), des pales (14) réparties autour du moyeu (12), des paires de bras (16) portant chacune une pale respective, chaque paire de bras (16) comprenant un bras inférieur et un bras supérieur s'étendant radialement du moyeu (12) vers la pale (14) en divergeant l'un de l'autre, les pales (14) s'étendant entre un plan horizontal inférieur (PHI) et un plan horizontal supérieur (PHS), dans lequel le moyeu (12) et le centre de gravité (G) du rotor (4) sont décalés du même côté par rapport à un plan horizontal médian (PHM) situé à mi-distance entre le plan horizontal inférieur et le plan horizontal supérieur, le long de l'axe de rotation (A).

Description

Rotor d'éolienne à axe vertical et éolienne à axe vertical
comprenant un tel rotor
La présente invention concerne le domaine des éoliennes à axe vertical (désignée en anglais par l'acronyme VAWT pour « Vertical Axis Wind Turbine »).
Une éolienne à axe vertical possède une structure de support et un rotor monté rotatif autour d'un axe de rotation sensiblement vertical sur la structure de support, le rotor possédant des pales prévues pour entraîner le rotor en rotation sous l'action du vent.
Dans une éolienne à axe vertical, le vent génère sur le rotor un moment de renversement aérodynamique tendant à faire basculer le rotor.
Dans le cas d'une éolienne à axe vertical comprenant une structure de support flottante, le rotor subit en outre un moment de renversement inertiel du fait des mouvements de tangage et de roulis de la structure de support flottante.
La structure de support flottante doit alors être dimensionnée pour résister dans le temps à ce moment de renversement et pour assurer la stabilité de l'éolienne à axe vertical sur l'eau, malgré ce moment de renversement, ce qui augmente son coût de fabrication.
Un des buts de l'invention est de proposer une éolienne à axe vertical permettant de limiter les effets du moment de renversement subis par le rotor.
A cet effet, l'invention propose un rotor d'éolienne à axe vertical, le rotor présentant un axe de rotation et comprenant un moyeu, des pales réparties autour du moyeu, des paires de bras portant chacune une pale respective, chaque paire de bras comprenant un bras inférieur et un bras supérieur s'étendant radialement du moyeu vers la pale en divergeant l'un de l'autre, les pales s'étendant entre un plan horizontal inférieur et un plan horizontal supérieur, dans lequel le moyeu et le centre de gravité du rotor sont décalés du même côté par rapport à un plan horizontal médian situé à mi-distance entre le plan horizontal inférieur et le plan horizontal supérieur, le long de l'axe de rotation.
Le rotor comprend en option une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque pale est sensiblement parallèle à l'axe de rotation ou diverge vers le haut par rapport à l'axe de rotation en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à une direction radiale passant par le moyeu de la pale, avec un angle non nul compris de préférence entre 0° et 10°, le moyeu et le centre de gravité de rotor étant décalés vers le haut par rapport au plan horizontal médian ;
- chaque pale converge vers le haut par rapport à l'axe de rotation en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à une direction radiale passant par le milieu de la pale, avec un angle non nul compris de préférence entre 0° et 10°, le moyeu et le centre de gravité du rotor étant décalés vers le bas par rapport au plan horizontal médian ;
- chaque pale fait un angle non nul avec l'axe de rotation en vue suivant une direction radiale passant par le milieu de la pale, de préférence un angle compris entre - 30° et +30° ;
- le moyeu du rotor présente une hauteur inférieure à deux fois son diamètre externe hors tout ;
- les pales possèdent une masse linéique variant suivant leur longueur, chaque pale possède une moitié supérieure strictement plus lourde que sa moitié inférieure ou une moitié supérieure strictement moins lourde que sa moitié inférieure ;
- les pales sont à calage variable, chaque pale étant reliée à chaque bras d'une paire de bras portant cette pale par une liaison bras-pale articulée autorisant une rotation autour d'un axe primaire de calage, au moins une liaison bras-pale autorisant en outre au moins une rotation autour d'un axe secondaire faisant un angle non nul avec l'axe primaire ;
- au moins une liaison bras-pale autorise une rotation autour de deux axes secondaires faisant un angle non nul entre eux ;
- au moins une liaison bras-pale autorise une rotation autour d'un premier axe secondaire colinéaire avec le bras et un deuxième axe secondaire horizontal et tangentiel.
L'invention concerne également une éolienne à axe vertical comprenant une structure de support, notamment une structure de support flottante, portant au moins un rotor tel que défini ci-dessus.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et fait en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique de face d'une éolienne à axe vertical ;
- les Figures 2 et 3 sont des vues schématiques de face d'éoliennes à axe vertical selon des variantes ;
- la Figure 4 est une vue schématique d'une liaison bras-pale entre un bras et une pale d'un rotor d'éolienne ; et
- la Figure 5 est une vue schématique de côté d'une éolienne selon une variante. L'éolienne 2 à axe vertical de la Figure 1 comprend un rotor 4 porté par une structure de support 6, le rotor 4 étant monté en rotation sur la structure de support 6 autour d'un axe de rotation A sensiblement vertical. Dans la suite de la description, les termes « vertical », « horizontal », « supérieur », « inférieur », « haut » et « bas » s'entendent par référence à la direction verticale de l'axe de rotation A du rotor 4 de l'éolienne 2.
La structure de support 6 est flottante. Ainsi, l'éolienne 2 est flottante et peut être installée sur une étendue d'eau, par exemple en mer ou sur un lac. La structure de support 6 est de préférence ancrée au fond de l'étendue d'eau.
La structure de support 6 comprend une structure flottante 8 et un mât 10 porté par la structure flottante 8. La structure flottante 8 est ici représentée schématiquement par un flotteur de type « bouée-crayon ». En pratique elle peut comprendre plusieurs flotteurs espacés pour offrir plus de stabilité en étant reliés entre eux par des poutres ou entretoises, la structure de support étant en outre éventuellement rigidifiées par la mise en œuvre de bracons.
Le rotor 4 comprend un moyeu 12 et plusieurs pales 14 réparties angulairement, de préférence uniformément, autour de l'axe de rotation A du rotor 8. Chaque pale 14 se déduit d'une pale 14 suivante par rotation autour de l'axe de rotation A d'un angle égal à 360° divisé par le nombre de pales du rotor 4.
Les pales 14 sont allongées et profilées de manière aérodynamique en section transversale. Chaque pale 14 est propre à générer une portance. Chaque pale 14 présente un profil alaire et possède un intrados et un extrados s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite.
De préférence, chaque pale 14 s'étend de manière rectiligne suivant sa longueur. Ceci facilite la fabrication des pales 14.
Chaque pale 14 est portée par une paire de bras 16 reliant cette pale 14 au moyeu 12. Chaque pale 14 est portée par une paire de bras 16 dédiée à cette pale 14. Les bras 16 de chaque paire de bras 16 porte une seule pale 14. Chaque paire de bras 16 comprend un bras 16 supérieur et un bras 16 inférieur. Chaque bras 16 est ici sensiblement rectiligne.
Le deux bras 16 de chaque paire de bras 16 divergent verticalement l'un de l'autre du moyeu 12 vers la pale 14 portée par ces bras 16. Les extrémités internes des bras 16 liées au moyeu 12 sont plus proches entre elles que les extrémités externes des bras 16 liées à la pale 14 portée par ces bras 16. Dans l'exemple illustré, le bras 16 inférieur s'étend obliquement vers le haut et le bras 16 inférieur s'étend obliquement vers le bas par rapport à l'horizontale.
Le rotor 4 comprend ici deux pales 14 diamétralement opposées par rapport à l'axe de rotation A du rotor 4. En variante, le rotor 4 comprend au moins trois pales, par exemple exactement trois pales réparties à 120° autour de l'axe de rotation A du rotor 4 ou quatre pales réparties à 90° autour de l'axe de rotation A du rotor 4.
Le moyeu 12 est « compact ». De préférence, il possède une hauteur hors tout HM
(prise suivant l'axe de rotation A) inférieure à deux fois son diamètre externe hors tout DM. De préférence, le rapport de la hauteur hors tout du moyeu 12 sur la hauteur des pales (prise entre un plan horizontal inférieur PHI passant par les extrémités inférieures des pales 14 et un plan horizontal supérieur PHS passant par les extrémités supérieures des pales) est compris entre 3% et 15%, et de préférence inférieur à 5%.
Ainsi, le rotor 4 possédant un moyeu 12 compact et deux pales 14 chacune portée par une paire de bras 16 divergeant présente une forme générale en « X » conférée par les deux paires de bras 16. Les bras 16 de chaque paire de bras 16 rejoignent le moyeu en étant sensiblement jointifs ou concourants.
Le moyeu 12 est monté rotatif à l'extrémité supérieure du mât 10 par l'intermédiaire d'un ensemble de guidage en rotation 18 reprenant les efforts axiaux et les efforts radiaux relativement à l'axe de rotation A, ainsi que le moment de renversement du rotor 4 par rapport au mât 10. L'ensemble de guidage en rotation 18 est localisé à l'extrémité supérieure 10A du mât 10. En particulier, l'ensemble de guidage en rotation 18 est reçu à l'intérieur du moyeu 12. L'ensemble de guidage en rotation 18 est par exemple une couronne d'orientation.
Les pales 14 s'étendent entre le plan horizontal inférieur PHI passant par les extrémités inférieures des pales 14 et un plan horizontal supérieur PHS passant par les extrémités supérieures des pales 14.
Le moyeu 12 et le centre de gravité G du rotor 4 sont décalés le long de l'axe de rotation A d'un même côté par rapport à un plan horizontal médian PHM situé verticalement à mi-distance entre le plan horizontal inférieur PHI et le plan horizontal supérieur PHS.
Sur la Figure 1 , les pales 14 s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de rotation A du rotor 4. Les pales 14 sont sensiblement verticales. Le centre de gravité G du rotor 4 et le moyeu 12 sont décalés vers le haut par rapport plan horizontal médian PHM.
Dans une telle configuration, le centre de poussée aérodynamique du rotor 4 est généralement décalé vers le haut. Ceci est notamment dû au fait que le vent est plus fort en haut du rotor qu'en bas du rotor à cause de l'effet de cisaillement du vent.
Le centre de poussée aérodynamique du rotor 4 varie selon les conditions de vent, en particulier de la vitesse du vent, et notamment selon que l'effet de cisaillement est plus ou moins prononcé. Pour la conception de l'éolienne, différents scénarii de conditions de vent sont pris en compte, notamment par simulation, pour déterminer une plage de positions verticales du centre de poussée aérodynamique du rotor pour des conditions de vent prédéterminées.
Le décalage du moyeu 12 vers le haut permet de rapprocher le moyeu 12 du centre de poussée aérodynamique, au moins pour les conditions de vent déterminées pour la conception de l'éolienne 2. En rapprochant le moyeu 12 du centre de poussée aérodynamique, il est possible de réduire le moment de renversement qui doit être repris par l'ensemble de guidage en rotation 18.
Par ailleurs, le décalage du centre de gravité G du même côté du plan horizontal médian PHM que le moyeu 12 permet de minimiser le moment de renversement du rotor 4 qui est dû au poids du rotor et qui doit être repris par l'ensemble de guidage en rotation 18. Ceci est d'autant plus vrai pour l'éolienne 2 flottante qui est soumise aux inclinaisons et mouvements, notamment de roulis, de tangage et de pilonnement, de la structure flottante 8 soumise à la houle et/ou au courant de l'étendue d'eau.
Avantageusement, les pales 14 présentent une masse linéique variant suivant leur longueur. En particulier pour des rotors 4 pour lesquels les pales 14 sont sensiblement verticales comme représenté sur la Figure 1 , les moitiés supérieures des pales sont plus lourdes que leurs moitiés inférieures.
En particulier, les parties supérieures des pales 14 sont plus renforcées que les parties inférieures de pales 14, et donc plus lourdes, pour tenir compte du vent plus fort en haut des pales 14 qu'en bas des pales 14 à cause de l'effet de cisaillement du vent.
Le renfort des parties supérieures de pales 14 tend à déplacer le centre de gravité du rotor vers le haut.
Sur la Figure 2, les pales 14 divergent les unes des autres vers le haut par rapport à l'axe de rotation A en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à la direction radiale passant sensiblement par le milieu de la pale 14 (vue de la Figure 2 pour les deux pales 14).
Le milieu de la pale 14 est le point situé à équidistance des extrémités de la pale 14 dans le sens de la longueur de la pale 14. Les directions radiales et tangentielles sont considérées par rapport à l'axe de rotation A. Une direction radiale est perpendiculaire à l'axe de rotation A et passe par l'axe de rotation A. Une direction tangentielle est orthogonale à l'axe de rotation A.
Ainsi, en vue suivant la direction tangentielle passant par le milieu de chaque pale 14, la pale 14 fait un angle non nul avec l'axe de rotation A. L'angle entre chaque pale 14 et l'axe de rotation A est compris entre 0° et 10°. Dans une telle configuration, le centre de poussée est généralement décalé vers le haut par rapport au plan horizontal médian PHM, du fait de l'effet de cisaillement du vent, et aussi du fait que les parties supérieures de pales sont soumises à un vent relatif et à des efforts centrifuges plus élevés que leur parties inférieures du fait du rayon plus élevé du rotor 4 en haut qu'en bas.
En outre, les bras 16 supérieurs et/ou leurs liaisons avec les pales 14 doivent être plus longs que les bras 16 inférieurs et/ou leurs liaisons avec les pales 14. Aussi, le centre de gravité est décalé vers le haut, et ce d'autant plus que les parties supérieures des pales 14 sont plus renforcées et voient un vent plus fort, et sont donc soumises à des efforts centrifuges et aérodynamiques plus élevés que les parties inférieures des pales 14.
Ainsi, le moyeu 12 et le centre de gravité G sont décalés vers le haut par rapport au plan horizontal médian PHM.
Sur la Figure 3, les pales 14 sont configurées en « dièdre inversé ». Chaque pale 14 est oblique par rapport à l'axe de rotation A et converge vers le haut par rapport à l'axe de rotation A en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à la direction radiale passant par le milieu de la pale 14 (vue de la Figure 2 pour les deux pales).
Ainsi, en vue suivant la direction tangentielle passant par le milieu d'une pale 14, cette pale 14 fait un angle non nul avec l'axe de rotation A. L'angle entre chaque pale 14 et l'axe de rotation A du rotor 4 est compris entre 0° et 10°.
Dans une cette configuration, il est possible de disposer d'un centre de poussée décalé vers le bas par rapport au plan horizontal médian PHM.
En outre, les bras 16 inférieurs et/ou leurs liaisons avec les pales 14 doivent être plus longs que les bras 16 supérieurs et/ou leurs liaisons avec les pales 14. Aussi, le centre de gravité est décalé vers le bas.
Ainsi, le moyeu 12 et le centre de gravité G sont décalés vers le bas par rapport au plan horizontal médian PHM.
De préférence, comme dans les différentes variantes illustrées, les bras 16 de chaque paire de bras 16 sont liés à la pale 14 qu'ils portent à distance des extrémités de la pale 14.
La longueur LA de la portion d'extrémité inférieure 14A de chaque pale 14 située entre la liaison bras-pale 24 liant le bras 16 inférieur à la pale 14 et l'extrémité inférieure de la pale 14 est de préférence comprise entre 15% et 35% de la longueur totale de la pale 14 prise entre ses extrémités inférieure et supérieure, et de préférence entre 25% et 35% pour un rotor 4 tel que représenté sur la Figure 1 , comprenant des pales 14 sensiblement verticales. La longueur LB de la portion d'extrémité supérieure 14B de chaque pale 14 située entre la liaison bras-pale 24 liant le bras 16 supérieur à la pale 14 et l'extrémité supérieure de la pale 14 est de préférence comprise entre 15% et 30% de la longueur totale de la pale 14 prise entre ses extrémités inférieure et supérieure, et de préférence entre 15% et 30% pour un rotor 4 tel que représenté sur la Figure 1 , comprenant des pales 14 sensiblement verticales.
Ceci permet de fixer des pales 14 de grandes dimensions (hauteur comprise entre 80m et 150m, notamment environ 120m) en limitant les contraintes de flexion dans les pales 14.
En option, dans les éoliennes des Figures 1 à 3, les pales 14 sont à calage variable.
Comme illustré sur la Figure 4, chaque pale 14 est reliée à chaque bras 16 qui la porte par une liaison bras-pale 24 articulée autorisant une rotation de la pale 14 par rapport au bras 16 autour d'un axe de rotation primaire, ou axe de calage C s'étendant sensiblement suivant la direction d'extension de la pale 14, de manière à modifier l'angle de calage de la pale.
L'angle de calage est l'angle, dans un plan horizontal situé au niveau du système de calage (plan de la Figure 4), entre la corde de la pale 14, qui est le segment de droite reliant le bord d'attaque 14C et le bord de fuite 14D de la pale 14 vue en section, et la tangente de trajectoire décrite par l'axe de calage C dans le plan horizontal considéré.
L'axe de calage C est sensiblement parallèle à l'axe de rotation (en particulier dans la variante de la Figure 1 ) ou légèrement oblique par rapport à l'axe de rotation (en particulier dans les variantes des Figures 2 et 3).
Chaque éolienne 4 comprend un dispositif de commande de calage 26 associé à chaque pale 14, pour commander la rotation de la pale 14 autour de l'axe de calage C de cette pale 14, c'est-à-dire commander l'angle de calage de cette pale.
Le dispositif de commande de calage 26 comprend au moins un actionneur 28 agencé pour faire pivoter la pale 14 autour de l'axe de calage C lorsqu'il est actionné. L'actionneur 28 est par exemple un vérin hydraulique, un vérin électrique ou un moteur électrique éventuellement associé à un réducteur de vitesse. L'actionneur 28 illustré sur la Figure 3 est un vérin électrique.
Le dispositif de commande de calage 26 comprend un actionneur 28 entre chaque bras 16 portant une pale 14 et cette pale 14. En variante, il comprend un actionneur 28 agencé entre un seul des deux bras 16 portant la pale 14 et cette pale 14.
De préférence, au moins une des liaisons bras-pale 24 reliant chaque pale 14 à un bras 16, et de préférence à chaque liaison bras-pale 24 reliant chaque pale 14 à un bras 16, autorise une rotation autour d'au moins un axe de rotation secondaire faisant un angle non nul avec l'axe de calage C.
La liaison bras-pale 24 illustrée sur la Figure 4 autorise une rotation autour de l'axe de calage C ainsi qu'une rotation autour d'un premier axe de rotation secondaire B1 , ici sensiblement colinéaire avec le bras 16, et une rotation autour d'un deuxième axe de rotation secondaire B2, sensiblement horizontal et tangentiel par rapport à l'axe de rotation du rotor.
Les bras 16 sont liés rigidement au moyeu 12. Les bras 16 sont immobiles par rapport au moyeu 12.
Comme illustré sur la Figure 4, la liaison bras-pale 24 comprend une base 30 montée à l'extrémité du bras 16 en étant librement pivotante par rapport au bras 16 autour du premier axe de rotation secondaire B1 , un support 32 monté sur la base 30 en étant librement pivotant par rapport à la base 30 autour du deuxième axe de rotation secondaire B2, la pale 14 étant liée au support 32 en étant pivotante autour de l'axe de calage C. L'actionneur 28 est disposé lié au support 32 et à la pale 14 pour commander l'orientation de la pale 14 par rapport au support 30 au tour de l'axe de calage C.
La prévision d'une liaison bras-pale 24 autorise une rotation autour d'au moins un axe de rotation secondaire faisant un angle non nul avec l'axe de calage C permet de relâcher les contraintes entre le bras 16 et la pale 14, et donc de diminuer les contraintes subies par la pale 14, le bras 16 et la liaison bras-pale 24. Il est ainsi possible de concevoir et de réaliser une pale, un bras et une liaison bras-pale plus légers.
En option, comme illustré sur les Figures 1 à 3, le rotor 4 comprend des poutres 34, chaque poutre 34 reliant le moyeu 12 à un point de liaison d'une pale 14 respective, le point de liaison étant situé entre les liaisons bras-pale 24 entre cette pale 14 et les bras 16 portant cette pale. Chaque poutre 34 est reliée à la pale 14 correspondante et au moyeu 12 par des articulations 36 autorisant au moins un degré de liberté en rotation, de préférence une articulation à rotule. La poutre 34 est adaptée pour reprendre des efforts de traction et de compression.
Les poutres 34 permettent de limiter les contraintes de flexion dans les pales 14 en fournissant un point d'attache intermédiaire entre les liaisons bras-pales 24. Les liaisons articulées 36 évitent de générer des contraintes supplémentaires principalement dans les pales 14.
La configuration des pales du rotor 4 peut varier par rapport aux configurations des Figures 1 à 3. Sur les Figures 2 et 3, chaque pale 14 s'étend obliquement par rapport à l'axe de rotation A, suivant une direction d'extension coplanaire avec l'axe de rotation A (ici dans le plan des Figures 2 et 3).
Comme illustré sur la Figure 5, en variante ou en option, une pale 14 oblique par rapport à l'axe de rotation A s'étend suivant une direction d'extension non coplanaire avec l'axe de rotation A.
Ainsi, en vue suivant une direction radiale passant par le milieu d'une pale 14 (Figure 5), la pale 14 fait un angle non nul avec l'axe de rotation A.
De manière générale, une pale s'étendant obliquement par rapport à l'axe de rotation A, s'étend de sorte que :
- en vue suivant une direction radiale ou tangentielle passant par le milieu de la pale, la pale fait un angle non nul avec l'axe de rotation A, de préférence un angle compris entre -10° et +10° ; et/ou
- en vue suivant une direction radiale passant par le milieu de la pale, la pale fait un angle non nul avec l'axe de rotation A, de préférence un angle compris entre -30° et
+30°.
Grâce à l'invention, il est possible de disposer d'un rotor dont les positions du moyeu et de centre de gravité sont ajustées l'une par rapport à l'autre et par rapport au centre de poussée aérodynamique du rotor dans des conditions de vent déterminées, de manière à optimiser leurs positions relatives pour minimiser notamment le moment de renversement du rotor par rapport à la structure de support, dû à la poussée aérodynamique, à la gravité, et aussi à l'inertie dans le cas d'une structure de support flottante, qui est elle-même mouvante du fait des mouvements de la structure flottante soumise à houle et au courant de l'étendue d'eau sur laquelle l'éolienne est installée.
La configuration du rotor avec un moyeu compact et des paires de bras qui supportent les pales, et dont les bras divergent, permet également de disposer d'un rotor dont le centre de gravité soit proche de l'extrémité supérieure du mât. Les pales peuvent descendre relativement bas par rapport à l'extrémité supérieure du mât, ce qui descend le centre de gravité.
II est ainsi possible de prévoir un ensemble de guidage en rotation du rotor par rapport au mât qui est compact et localisé en tête de mât, favorisant ainsi la légèreté du système de guidage en rotation du rotor, du rotor et de l'éolienne dans son ensemble. En particulier, le rotor est dépourvu d'arbre s'étendant vers le bas jusqu'à l'extrémité inférieure du mât pour le guidage en rotation du rotor. Un tel arbre alourdit considérablement le rotor et nécessite de prévoir une structure de support renforcée en conséquence, plus lourde et plus volumineuse, au détriment de la simplicité et du coût de fabrication de l'éolienne.
Sur les dessins, les positions du moyeu et du centre de gravité par rapport au plan horizontal médian PHM ont été exagérées pour des raisons de compréhension des dessins. En pratique, il est possible que le décalage soit moins prononcé.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Rotor d'éolienne à axe vertical, le rotor (4) présentant un axe de rotation (A) et comprenant un moyeu (12), des pales (14) réparties autour du moyeu (12), des paires de bras (16) portant chacune une pale respective, chaque paire de bras (16) comprenant un bras inférieur et un bras supérieur s'étendant radialement du moyeu (12) vers la pale (14) en divergeant l'un de l'autre, les pales (14) s'étendant entre un plan horizontal inférieur (PHI) et un plan horizontal supérieur (PHS), dans lequel le moyeu (12) et le centre de gravité (G) du rotor (4) sont décalés du même côté par rapport à un plan horizontal médian (PHM) situé à mi-distance entre le plan horizontal inférieur et le plan horizontal supérieur, le long de l'axe de rotation (A).
2. Rotor selon la revendication 1 , dans lequel chaque pale (14) est sensiblement parallèle à l'axe de rotation ou diverge vers le haut par rapport à l'axe de rotation (A) en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à une direction radiale passant par le moyeu de la pale, avec un angle non nul compris de préférence entre 0° et 10°, le moyeu (12) et le centre de gravité (G) du rotor (4) étant décalés vers le haut par rapport au plan horizontal médian (PHM).
3. Rotor selon la revendication 1 , dans lequel chaque pale (14) converge vers le haut par rapport à l'axe de rotation en vue suivant une direction tangentielle perpendiculaire à une direction radiale passant par le milieu de la pale (14), avec un angle non nul compris de préférence entre 0° et 10°, le moyeu (12) et le centre de gravité (G) du rotor (4) étant décalés vers le bas par rapport au plan horizontal médian (PHM).
4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque pale (14) fait un angle non nul avec l'axe de rotation (A) en vue suivant une direction radiale passant par le milieu de la pale, de préférence un angle compris entre - 30° et +30°.
5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyeu (12) du rotor (4) présente une hauteur inférieure à deux fois son diamètre externe hors tout.
6. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pales (14) possèdent une masse linéique variant suivant leur longueur, chaque pale (14) possède une moitié supérieure strictement plus lourde que sa moitié inférieure ou une moitié supérieure strictement moins lourde que sa moitié inférieure.
7. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pales (14) sont à calage variable, chaque pale (14) étant reliée à chaque bras (16) d'une paire de bras portant cette pale par une liaison bras-pale (24) articulée autorisant une rotation autour d'un axe primaire de calage (C), au moins une liaison bras-pale (24) autorisant en outre au moins une rotation autour d'un axe secondaire(B1 , B2) faisant un angle non nul avec l'axe primaire.
8. Rotor selon la revendication 7, dans lequel au moins une liaison bras-pale autorise une rotation autour de deux axes secondaires (B1 , B2) faisant un angle non nul entre eux.
9. Rotor selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel au moins une liaison bras-pale (24) autorise une rotation autour d'un premier axe secondaire colinéaire avec le bras et un deuxième axe secondaire horizontal et tangentiel.
10. Eolienne à axe vertical comprenant une structure de support, notamment une structure de support flottante, portant au moins un rotor (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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