WO2022167668A1

WO2022167668A1 - Voile rotative légère et application d'une telle voile

Info

Publication number: WO2022167668A1
Application number: PCT/EP2022/052921
Authority: WO
Inventors: Brice BOGNET; Thierry LAFONT; Arnaud POITOU
Original assignee: Farwind Energy
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2022-08-11
Also published as: FR3119600A3; FR3119600B3

Abstract

L'invention concerne une voile rotative (800) de type Flettner apte à tourner autour d'un axe vertical, et comprenant une surface aérodynamique de révolution s'étendant entre une extrémité proximale et une extrémité distale, comprenant entre ses deux extrémités une pluralité de tronçons centrés sur l'axe vertical et s'étendant selon ledit axe entre deux cerceaux circulaires parallèles, respectivement d'un diamètre 2r; et 2 r₂, les cerceaux étant espacés d'une distance 2 h selon l'axe vertical, la forme de la surface aérodynamique dudit tronçon étant définie par la révolution d'une courbe méridienne continue comprenant entre les deux cerceaux un rayon de gorge r₀ inférieur ou égal à r; et inférieur ou égal à r₂.

Description

Voile rotative légère et application d’une telle voile

L’invention concerne une structure légère pour la réalisation d’une voile rotative. Elle est plus particulièrement, mais non exclusivement, dédiée à la réalisation d’un gréement de type Flettner dans lequel la voile est un cylindre en rotation utilisant l’effet Magnus.

La voile rotative aussi dénommée rotor Flettner du nom de son inventeur, a été utilisée pour la propulsion des navires, essentiellement pour des prototypes.

Selon l’art antérieur, ce type de voile est constitué d’un cylindre entraîné en rotation autour de son axe longitudinal par des moyens appropriés, lequel axe longitudinal est positionné en général verticalement par rapport à la coque du navire, entre une extrémité proximale située sur ou dans la coque du navire et une extrémité distale, éloignée de la coque.

Toujours selon l’at antérieur, la voile est un cylindre droit, la surface aérodynamique de révolution étant constituée par une matière rigide.

L’effet Magnus, implique qu’un cylindre en rotation dans un flux d’air subit une poussée perpendiculaire à la fois à son axe de rotation et à la direction du flux d’air, c’est-à-dire du vent dans le cas d’une voile.

Les conditions définissant la poussée et la trainée d’un tel rotor en fonction, notamment, de ses caractéristiques géométriques, de sa vitesse de rotation et de la vitesse du vent sont connues, au moins empiriquement, de l’art antérieur et ne sont pas reprises en détail.

A titre d’exemple, les tendances permettant de déterminer l’efficacité d’un rotor Flettner sont décrites dans : A. De Marco, S. Mancini, C. Pensa, G. Calise, F. De Luca, « Flettner Rotor Concept for Marine Applications: A Systematic Study », International Journal of Rotating Machinery, vol. 2016, Article ID 3458750, 2016.

Ainsi il ressort de l’art antérieur que le rotor Flettner est d’autant plus efficace qu’il présente un rapport d’élancement élevé c’est-à-dire une grande longueur par rapport à son diamètre, et que la norme de la vitesse tangentielle V _t à la surface de la surface cylindrique, soit V _t =R ω où ω est la vitesse angulaire de rotation et R le rayon du cylindre, est comprise entre 2,5 et 3,5 fois la norme de la vitesse du vent.

Typiquement la longueur du cylindre doit être supérieure à au moins 5 fois son diamètre, mais des élancements plus importants sont couramment considérés.

Pour donner un ordre de grandeur, un rotor Flettner de 5 mètres de diamètre avec un rapport d’élancement de 8 aura une hauteur de 40 mètres et devra tourner à 115 tours par minute pour un fonctionnement proche de l’optimal dans un vent dont la vitesse est de 10 m/s.

Toute chose égale par ailleurs, la force de poussée sur un cylindre de rayon R est proportionnelle à R ² .

Toujours en termes d’ordre de grandeur, toutes choses égales par ailleurs, la poussée sur la voile, pour une vitesse de vent donnée, est 10 fois supérieure lorsque la voile est en rotation à une vitesse proche de la vitesse optimale, comparativement à la poussée sur la même voile non mise en rotation.

Faire tourner un solide de grande dimension aux vitesses nécessaires pour profiter pleinement de l’effet Magnus tout en assurant sa rigidité et sa stabilité en flexion / torsion, pose des problèmes techniques.

Le fonctionnement du rotor Flettner est encore amélioré par la présence d’un ou plusieurs disques, couramment dénommés « disques de Thom », répartis sur la longueur du cylindre et dont le diamètre est supérieur au diamètre de la section courante dudit cylindre.

Selon une conception courante au moins un disque est situé à l’extrémité distale du cylindre. Ce disque modifie les écoulements à l’extrémité du cylindre et augmente le ratio entre la poussée et la traînée, permettant d’obtenir une poussée plus importante à vitesse de rotation et rapport d’élancement égaux.

Le document US 4 401 284 décrit un navire comprenant un rotor Flettner affalable, constitué d’une bâche textile étanche et gonflable, rigidifiée par une structure interne comprenant des anneaux de mât montés sur un câble et connectés à la bâche étanche par des sangles flexibles. Le gonflage de la bâche et son déploiement, tend le câble ainsi que les sangles.

Un tel dispositif présente l’inconvénient de devoir assurer le maintien de la pression interne dans la bâche, à un niveau suffisant pour assurer sa rigidité, ce qui consomme un surcroît d’énergie et rend le dispositif sensible à des pannes ou à des fortunes de mer. Aussi, un tel dispositif ne peut constituer le mode de propulsion principal d’un navire.

L’invention vise résoudre les inconvénients de l’art antérieur et concerne à cette fin une voile rotative de type Flettner apte à tourner autour d’un axe vertical, et comprenant une surface aérodynamique de révolution s’étendant entre une extrémité proximale et une extrémité distale, ladite voile étant d’un élancement, rapport entre sa hauteur, mesurée entre lesdites extrémités distales et proximales, et son diamètre enveloppe, supérieur à 5 et d’un diamètre enveloppe extérieur supérieur ou égal à 4 mètres, laquelle voile comprend entre ses deux extrémités une pluralité de tronçons centrés sur l’axe vertical et s’étendant selon ledit axe entre deux cerceaux circulaires parallèles, respectivement d’un diamètre 2r1 et 2r2 , les cerceaux délimitant un tronçon étant espacés d’une distance 2h selon l’axe vertical, la forme de la surface aérodynamique de chaque tronçon étant définie par la révolution d’une courbe méridienne continue (103) comprenant entre les deux cerceaux un rayon de gorge r0 (113) inférieur ou égal à r1 (1121) et inférieur ou égal à r2 (1122). .

Cette forme de voile permet de réduire la traînée aérodynamique ainsi qu’une meilleure stabilité dynamique, vis-à-vis des efforts de poussée.

De plus, cette forme de voile permet de réduire la masse à résistance égale et ainsi de réduire l’énergie nécessaire à sa mise en rotation.

L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

Selon un mode de réalisation avantageux, la surface aérodynamique d’un tronçon est constituée par une membrane tendue entre les cerceaux, ladite membrane prenant une forme de caténoïde.

Ainsi, l’utilisation d’une ou plusieurs membranes tendues pour la matérialisation de la surface de révolution de la voilure permet de réduire encore le poids et l’inertie d’une telle voile, et de réduire la puissance nécessaire à son entrainement en rotation.

La forme caténoïde du ou des tronçons participe à la stabilité mécanique de l’ensemble tendu et pernet également de réduire la trainée et par suite d’améliorer l’efficacité de la voile

Selon un mode de réalisation avantageux, la membrane d’un tronçon suit une caténoïde optimale entre 2 cerceaux circulaires parallèles d’un diamètre 2r ₁ =2r ₂ =2r et distants d’une longueur 2h selon l’axe vertical, le ratio h/r est inférieur ou égal à 0,6627 et le ratio r ₀ /r entre le rayon r (114₁, 114₂) des cerceaux d’extrémité et le rayon r ₀ de gorge est supérieur ou égal à 0,5524.

Cette caténoïde optimale, permet, pour une caractéristique de membrane donnée, d’obtenir la surface aérodynamique la plus légère possible.

Selon un autre mode de réalisation la membrane d’un tronçon suit une caténoïde optimisée entre 2 cerceaux circulaires parallèles d’un diamètre 2r ₁ =2r ₂ =2r et distants d’une longueur 2h selon l’axe vertical, le rayon de gorge r ₀ est compris entre r _m et 1,15.r _m où

et a _m est la solution de l’équation

Ce mode de réalisation est un compromis, offrant plus de flexibilité de forme que la forme optimale, tout en conservant une forme sans support sous -jacent.

Avantageusement, la membrane de chaque tronçon est tendue entre 2 cerceaux séparés par une entretoise d’un diamètre inférieur à la caténoïde, s’étendant selon l’axe longitudinal et assemblée à chacun des cerceaux. Ainsi la voile est assemblable par tronçon.

Selon ce mode de réalisation, la voile objet de l’invention comprend avantageusement des haubans s’étendant entre les deux cerceaux d’extrémité d’un tronçon et entre l’entretoise et la toile, et des moyens de tension desdits haubans. Ainsi, lesdits haubans permettent de rigidifier et de stabiliser l’assemblage sans perturber les écoulements aérodynamiques autour de la voile.

L’invention concerne également l’utilisation d’une voile selon l’invention pour la propulsion d’un navire, le diamètre de la voile étant compris entre 4 m et 15 m pour une hauteur de ladite voile comprise entre 30 m et 100 m, la voile étant entraînée en rotation autour de son axe vertical à une vitesse comprise entre 50 et 300 tours par minute. Ainsi, la construction légère de la voile objet de l’invention, permet d’utiliser une voile de grande dimension entraîné à une vitesse de rotation relativement élevée afin d’obtenir un effort de propulsion élevé du navire.

Selon un mode de réalisation avantageux, le navire comprend une pluralité de voiles assemblées à leur extrémité distale par une structure supportant des paliers guidant en rotation les extrémités distales desdites voiles.

Cette structure joignant les extrémités distales des voiles permet de stabiliser verticalement lesdites voiles, notamment, pas exclusivement, vis-à-vis du couple généré par leur entraînement en rotation.

Cet effort de propulsion élevé est avantageusement mis en œuvre dans le cadre d’une utilisation où le navire comprend des moyens de production électrique entrainés par le déplacement du navire sous l’effet de la voile et des moyens de stockage de l’énergie sous forme chimique.

Ainsi ledit navire est apte à se déplacer et à traquer des zones ventées de sorte à améliorer le taux de charge des moyens de production d’énergie.

L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, exposés ci-après en référence aux figures 1 à 10, dans lesquelles :

Fig.1

est un exemple de la forme générale d’un tronçon d’une voile objet de l’invention ;

Fig.2

est exemple de combinaison de paramètres géométriques par la réalisation d’un tronçon en caténoïde optimale d’une voile objet de l’invention ;

Fig.3

représente selon une demie-vue en symétrie selon l’axe horizontal, un exemple de combinaison de paramètres définissant un tronçon de voile selon l’invention décrivant une caténoïde optimisée ;

Fig.4

montre, selon des vues de face, 3 exemples de réalisation d’un voile rotative comprenant des tronçons répondant aux géométries de l’invention ;

Fig.5

est une vue partielle en coupe AA définie d’un exemple de réalisation d’une voile objet de l’invention ;

Fig.6

représente schématiquement par un organigramme et des vues de faces les étapes successives mises en œuvre pour l’assemblage d’un voile objet de l’invention, selon un exemple de réalisation ;

Fig.7

montre selon une vue de face, un exemple d’outillage pour la fabrication d’une toile de tronçon de la voile objet de l’invention ;

Fig.8

représente selon une vue en perspective, un exemple de navire propulsé par une pluralité de voiles selon l’invention ;

Fig.9

est un exemple, selon une vue en perspective d’un assemblage par paire de voiles objet de l’invention ;

Fig.10

montre, selon une vue en perspective, un exemple d’assemblage de 4 voiles objets de l’invention.

En référence à la , selon un exemple de réalisation préféré, un tronçon (100) de la voile objet de l’invention est une surface de révolution s’étendant entre deux extrémités circulaires (104₁,104₂) concentriques, obtenues par la rotation autour d’un axe longitudinal d’une courbe méridienne continue (103) présentant un minimum entre ces deux extrémités lesdites extrémités étant perpendiculaires audit axe longitudinal (101).

Des exemples non limitatifs de surfaces ainsi définies sont des hyperboloïdes, des paraboloïdes ou des caténoïdes.

Toutes ces surfaces sont des courbes présentant un minimum et aucun maximum entre les extrémités (104₁,104₂). Elles diffèrent en cela des formes décrites dans l’art antérieur telles que dans le document US 4 401 284.

Ainsi, la surface aérodynamique est d’un diamètre 2r ₁ (112₁) à une extrémité (104₁) du tronçon et d’un diamètre 2r ₂ (112₂) à l’autre extrémité (104₂) dudit tronçon et passe par un diamètre minimum 2r ₀ (113), dit diamètre de gorge, inférieur à chacun des diamètres d’extrémités entre lesdites extrémités distantes d’une longueur 2h (111).

Selon des exemples de réalisation, la voile comprend un seul tronçon de ce type s’étendant entre ses extrémités proximales et distales ou une pluralité de tronçons superposés selon l’axe longitudinal de celle-ci, au moins un de ces tronçons, jusqu’à l’ensemble de ceux-ci, ayant ce type de forme.

Cette forme présente notamment l’avantage d’une faible traînée aérodynamique, plus faible que celle d’un cylindre droit, mais aussi une stabilité mécanique permettant une réalisation plus légère.

Selon les exemples de réalisation, la surface aérodynamique est matérialisée par une peau constituée d’un matériau souple ou rigide s’étendant entre les deux extrémités et tendue entre ces extrémités. Ainsi, la tension assure la stabilité de la forme sans qu’une structure de support rigide sous-jacente ne soit nécessaire entre les extrémités, de sorte que la structure est légère.

En référence à la , en particulier, selon un mode de réalisation, la surface aérodynamique du tronçon (200) est matérialisée par une membrane constituée d’un matériau souple, rendue rigide par sa tension entre les extrémités circulaires, sans structure de support sous-jacente entre les extrémités du tronçon.

Selon cet exemple de réalisation, la forme de ladite surface aérodynamique est avantageusement une caténoïde dont la méridienne (203) est une courbe chaînette. Cette forme assure la stabilité mécanique de la membrane sous l’effet de sa tension, sans structure mécanique de support entre les deux extrémités, et ainsi permet de réaliser une structure particulièrement légère.

Pour simplifier la description de ce mode de réalisation, nous considérons le cas où les rayons (112₁, 112₂) des extrémités circulaires du tronçon sont égaux. L’invention n’est cependant pas limitée à cette configuration.

Selon un exemple de réalisation ladite caténoïde est ainsi symétrique par rapport à son rayon minimum (113), ou rayon de gorge, situé à une distance h (111) égale de chacune des extrémités (104₁,104₂).

La forme de ladite caténoïde est construite d’un point de vue théorique par la rotation autour de l’axe longitudinal (101) d’une méridienne (203) en courbe de chaînette s’étendant entre les deux extrémités (104₁,104₂).

La courbe de chaînette est définie par son équation dans un repère (x,y) où, sur cette figure, l’axe longitudinal x (101) est horizontal et y l’axe vertical (102), par l’équation

où cosh est la fonction cosinus hyperbolique, et r ₀ une constante correspondant à l’ordonnée à l’origine de ladite fonction et en pratique au rayon de gorge (113) minimum de la caténoïde. Il s’agit d’une fonction paire symétrique par rapport à l’axe y (102).

Forme caténoïde optimale

La caténoïde offre l’avantage de minimiser la surface de la membrane et d’assurer l’homogénéité de la tension dans toute la membrane.

Ladite caténoïde optimale est celle qui correspond à la surface minimale entre les deux cercles des extrémités (104₁,104₂). C’est la forme du film joignant deux cerceaux circulaires rigides, qui après avoir été trempés dans une solution aqueuse contenant du savon, sont lentement éloignés l’un de l’autre.

La forme obtenue est une caténoïde qui s’amincie à mi-distance entre les cerceaux à mesure que ceux-ci sont éloignés l’un de l’autre, jusqu’à ce que cette surface ne se scinde en deux disques sur chaque cerceau lorsque la distance entre les disques devient trop importante.

La caténoïde optimale, correspondant à la surface minimale, est obtenue pour des conditions spécifiques de ratio entre les rayons r ₁ et r ₂ (112₁, 112₂) des cercles d’extrémité et leur écartement 2h (111).

L’étude des caténoïdes et plus généralement des surfaces minimales de Riemann fait l’objet d’une littérature scientifique abondante, seuls les résultats utiles à la description et à la mise en œuvre de l’invention sont repris ci-après, lesquels résultats ne nécessitent pas de notions théoriques spécifiques pour être pratiquement mis en œuvre par l’homme du métier.

Ainsi, si r ₁ =r ₂ =r est le rayon des cercles (cerceaux) à chaque extrémité de la caténoïde et que ceux-ci sont éloignés d’une distance 2h, alors, si :

il existe une solution minimisant la surface et la tension de la membrane entre les cerceaux. La forme obtenue est stable, et la membrane épouse cette forme du seul fait de sa tension sans aucun support sous-jacent.

Le ration h/r étant fixé, le paramètre r ₀ , définissant l’équation de la courbe chaînette (203), est donné par la solution de l’équation :

laquelle équation est aisément résolue numériquement par exemple par dichotomie.

A titre d’exemple d’application numérique pour r=5 m ; h/r=0,6627 ; r ₀ =2,74 m ; h=3, 3135.m, et la longueur curviligne (115) 2l de la courbe chaînette est donnée par :

soit, selon la même application numérique, 2l=8,36 m, où sh est la fonction sinus hyperbolique.

Ainsi, muni de ces relations l’homme du métier est en mesure de concevoir la membrane nécessaire pour réaliser un tronçon de caténoïde optimale en fonction des dimensions et des performances visées en termes de masse, de vitesse de rotation et de poussée visées pour la voile.

Sans entrer dans plus de détails, dès lors que la condition :

est vérifiée, la caténoïde correspondant à la surface minimale stable entre les cerceaux est obtenue pour :

Caténoïde optimisée

, à la différence d’un film d’eau savonneuse dont la résistance mécanique est quasi nulle, la membrane utilisée pour matérialiser la surface aérodynamique d’un tronçon selon l’invention, présente une résistance mécanique qui lui permet de supporter les effets d’une tension la forçant à épouser une géométrie autre que la géométrie optimale.

Cependant, pour permettre la réalisation effective de cette surface aérodynamique, il est préférable que la géométrie de la membrane réponde à des conditions définies minimisant les contraintes dans ladite membrane à tension donnée.

Ainsi, l’équation de la méridienne (303) entre les deux extrémités circulaires de rayon r ₁ =r ₂ =r (112) est donnée par :

Avec :

Où a est un paramètre positif qui représente le rayon de courbure de la méridienne en x=0.

Dans le cas de la solution optimale présentée plus haut, a est tel que

En dehors de ce cas optimal, une forme optimisée est définie pour des conditions définies par l’équation :

dans laquelle a _m (351) est la valeur d’a, ici représentée sur l’axe des x (101), qui maximisent la fonction K _a (h,r) (350) c’est-à- dire telle que :

équation qui se résout aisément numériquement, par exemple par dichotomie.

Les inventeurs ont déterminé qu’une membrane tendue stable est pratiquement réalisable entre les extrémités du tronçon lorsque :

À titre d’exemple, pour r=5 m, h=3,5 m et h/r=0,7 les relations exprimées ci-dessus permettent à l’homme du métier de calculer la valeur de a _m , soit a _m =2,9175 m, et d’en déduire r _m , soit r _m = 2,636 m

Ainsi, le rayon de gorge r ₀ , fonction de la tension de la membrane, est, selon l’invention compris entre 2,64 m et 3,04 m.

Réalisation pratique

En référence à la , selon un exemple de réalisation, la voile rotative (400) objet de l’invention comprend une pluralité de tronçons (100) empilés selon un axe longitudinal (401) placés verticalement.

Selon cet exemple de réalisation non limitatif de la voile (400), les tronçons sont tous identiques et les cerceaux à chaque extrémité de tronçon ont tous le même diamètre. L’invention n’est cependant pas limitée à cette configuration et, selon des exemples de réalisation alternatifs, ladite voile (410) comprend des tronçons de diamètre et de forme évolutifs le long de l’axe longitudinal (401), ou encore la voile (420) comprend un seul tronçon dont les diamètres des extrémités proximales et distales sont différents.

Par convention dans ce texte, la voile (400, 410, 420), quelque soit son mode de réalisation, est définie, au minimum, par son diamètre enveloppe (490) qui correspond au diamètre minimal d’un cylindre droit centré sur l’axe longitudinal (401) et contenant toute la voile (400, 410, 420), et par sa hauteur (491), le rapport entre ladite hauteur (491) et le diamètre enveloppe (490) définissant l’élancement de la voile selon cette convention.

En fonctionnement, la voile rotative est entraînée en rotation autour de son axe longitudinal (401) par des moyens de motorisation appropriés. Lesdits moyens de motorisation sont, selon des exemples non limitatifs, constitués par un moteur à combustion interne, un moteur électrique, un moteur pneumatique, un moteur hydraulique, un moteur à vapeur ou encore un moteur Stirling ou à air chaud.

En référence à la , selon un exemple de réalisation la structure de la voile objet de l’invention comprend un mât central constitué d’entretoises (501) de section tubulaire et de cerceaux (504), liés auxdites entretoises, selon un empilement dans la direction et centrés sur l’axe longitudinal (401).

Selon cet exemple de réalisation, les cerceaux (504) sont attachés aux entretoises selon une liaison complète, par exemple par boulonnage. Selon un mode de réalisation alternatif (non-représenté) lesdits cerceaux sont liés aux entretoises par une liaison pivot tournant autour de l’axe longitudinal (401). Ces deux modes de réalisation diffèrent dans la mise en œuvre de l’entraînement en rotation de la voile.

Quelque soit le mode de réalisation, un tronçon de voile s’étend entre deux cerceaux (504) séparés par une entretoise (501).

Les membranes (503) formant les surfaces extérieures des tronçons s’étendent et sont tendues entre deux cerceaux (504). Ainsi, hormis pour les cerceaux situés à chaque extrémité longitudinale de la voile, chaque cerceau est commun à deux tronçons et supporte deux extrémités de toiles (503).

L’entretoise (501) est, selon un mode de réalisation, constituée d’un tube d’un diamètre extérieur inférieur à celui de la caténoïde externe du tronçon, de sorte que ladite entretoise n’est pas visible depuis l’extérieur de la voile.

Selon un exemple de réalisation, la structure est rigidifiée par des haubans (520) tendus entre les cerceaux (504) à chaque extrémité d’un tronçon, à l’intérieur dudit tronçon c’est-à-dire dans un espace compris entre l’entretoise (501) et la membrane (503) tendue, de sorte que lesdits haubans (520) ne sont pas visibles de l’extérieur et ne perturbent pas le flux aérodynamique autour de la voile.

L’homme du métier comprend que pour une surface aérodynamique en caténoïde, l’utilisation de la forme de caténoïde optimisée, telle que définie , offre plus de flexibilité de conception, notamment pour installer ce type d’aménagement entre la membrane et l’entretoise.

Selon des exemples de réalisation, lesdits haubans (520) sont répartis par couple dans un même tronçon, avec un couple tous les 120° ou tous les 90°, ou tous les 60°, ou tous les 45° sur la circonférence des cerceaux (504)

Chaque hauban (520) est attaché par des moyens appropriés à deux cerceaux (504) correspondant aux cerceaux aux extrémités du tronçon et comprend un tendeur (521) apte à installer une tension contrôlée dans ledit hauban (520).

Cette tension installée dans chaque hauban, tend à précontraindre les entretoises (501) en compression et à stabiliser les cerceaux (504) de sorte que l’axe longitudinal d’un cerceau reste confondu avec l’axe longitudinal (401) de la voile et tend à être rappelé dans cette configuration sous l’effet des efforts subis par la voile en fonctionnement plus particulièrement les efforts de poussée et de traînée.

Selon un mode réalisation alternatif (non-représenté) les moyens de mise en tension des haubans sont intégrés à l’entretoise ou à un cerceau, par exemple sous la forme d’un système vis-écrou permettant par sa manœuvre d’augmenter la distance entre les deux cerceaux d’extrémité.

Les cerceaux (504), les entretoises (501) et les haubans (520) sont constitués de matériaux présentant les propriétés mécaniques de rigidité, de limite élastique, de tenue en fatigue et de résistance aux agents extérieurs, notamment vis-à-vis de la corrosion, propriétés adaptées à l’utilisation visée, plus spécifiquement en milieu marin, et aux conditions d’utilisation de la voile.

A titre d’exemples non limitatifs, ces matériaux sont choisis parmi l’acier, les alliages d’aluminium, les matériaux composites renforcés par de fibres de verre ou de carbone.

En référence à la , la voile est assemblée par tronçon, chaque tronçon comprenant 2 cerceaux (504₁, 504₂), un à chacune de ses extrémités, partagés le cas échéant avec le tronçon suivant ou le tronçon précédant dans le sens de l’empilement des tronçons, une entretoise (501) entre lesdits cerceaux, des haubans (520) répartis sur les circonférences des cerceaux et une membrane (503), liée aux cerceaux par des sangles ou des câbles (603) de tension de la membrane.

Selon une première étape (610) de connexion de la toile, la membrane (503) est attachée à un premier cerceau (504₁).

Selon une deuxième étape (620) d’assemblage de la structure rigide, une entretoise (501) est connectée au premier cerceaux (504₁) et un deuxième cerceau (504₂) est connecté à l’extrémité opposée de ladite entretoise (501)

Selon une étape (630) optionnelle de précontrainte, dans le cas où le tronçon comprend des haubans (520) internes, lesdits haubans (520) sont installés entre les deux cerceaux (504₁, 504₂) délimitant le tronçon et mis en tension au moyen de leurs tendeurs.

Selon une étape (640) d’installation de la membrane (503), ladite membrane est connectée au deuxième cerceau (504₂) par les sangles ou câbles (603) de tension de la membrane (503).

Selon une étape (650) de mise en tension de la toile, la toile est tendue entre les deux cerceaux (504₁, 504₂) au moyen des sangles ou des câbles de tension de la membrane.

Les opérations décrites ci-avant sont répétées pour le tronçon suivant le deuxième cerceau (504₂) étant alors le premier cerceau du tronçon suivant, jusqu’à ce que l’ensemble de la voile soit assemblée.

L’homme du métier comprend que, selon des modes de réalisation alternatifs, l'étape (610) d'installation de la membrane est réalisable après l’étape (620) d’assemblage de la structure rigide, ou après l’étape (630) de précontrainte.

Également, lorsque des moyens, par exemple de type vis-écrou, permettant d’accroître la distance entre les cerceaux (504₁, 504₂) sont implémentés, et que par ailleurs ces moyens peuvent être manœuvrés après l’installation de la membrane, ceux-ci peuvent être utilisés pour ajuster la tension dans les haubans et dans la membrane après l’étape (640) d’installation de la membrane.

En référence à la , selon des exemples de réalisation, la membrane tendue constituant la surface aérodynamique de la voile objet de l’invention est constituée de préférence, mais non limitativement, d’un fluroro-polymère tel qu’un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), un fluorure de polyvinylidène (PVDF) choisis pour leur résistance aux conditions environnementales et leur stabilité, ou d’un tissu de fibres naturelles, tel que coton, lin, sisal, jute, ou de fibres polymères, revêtu d’un fluoro-polymère.

La membrane est obtenue à la forme désirée en assemblant entre eux des lés (703) de la matière considérée, par collage ou préférentiellement par soudure, sur un mandrin en 2 parties (791, 792), de sorte à permettre le démoulage de ladite membrane en forme.

Selon un exemple de réalisation, des œillets métalliques (non-représentés) sont ajoutés par sertissage et perçage à l’emporte-pièce sur les bords de la membrane (503), pour l’assemblage de ladite membrane avec les cerceaux au moyen de câbles de tension. Alternativement des sangles de tension (non-représentées) sont assemblées à la membrane par soudage, collage, couture, agrafes ou une combinaison de ces méthodes.

Utilisation

En référence à la , selon un exemple de mise en œuvre, la voile objet de l’invention est utilisée de manière unique ou multiple pour la propulsion d’un navire (890), comme mode de propulsion principal ou en assistance ou en alternance d’un autre mode de propulsion.

Selon un exemple de mise en œuvre ledit navire est utilisé pour la production et le stockage d’énergie. Ainsi, selon cet exemple, ledit navire (890) est propulsé par une pluralité de voiles (800) selon l’invention, d’un diamètre enveloppe compris entre 4 m et 15 m, et d’une hauteur comprise entre 30 m et 100 m depuis le pont du navire.

Lesdites voiles sont entraînées en rotation à une vitesse comprise entre 50 et 300 tours par minute par un moteur, de sorte à produire un effort de poussée et entraîner le navire en fonction du vent.

Selon un exemple de mise en œuvre, le navire (890) est destiné à produire et à stocker de l’énergie.

A cette fin, selon un exemple de réalisation, le navire (890) étant propulsé par les voiles (800), il comprend une ou plusieurs turbines hydrauliques (850) entraînées par le déplacement du navire et aptes à produire de l’électricité.

Cette électricité est stockée sus forme chimique dans des moyens de stockage (860) à bord du navire.

Selon des exemples de réalisation, lesdits moyens de stockage sont des batteries, un réservoir d’hydrogène sous pression ou liquéfiée, l’hydrogène étant produit par électrolyse de l’eau, un réservoir, de méthanol, d’ammoniac, de méthane ou d’un gaz de synthèse produit à partir de l’hydrogène, seuls ou en combinaison.

L’entraînement en rotation des voiles (800) du navire est réalisé en prélevant une partie de l’énergie ainsi produite, soit, et préférentiellement, directement au moment de sa production, soit dans le stock.

En référence à la , selon un exemple de réalisation les voiles du navire sont assemblées par paires (800₁, 800₂) par une structure en treillis (901) supportant des paliers (902) guidant en rotation les extrémités distales desdites voiles (800₁, 800₂).

La structure complète est stabilisée et liées au pont du navire par des haubans (920).

En référence à la , selon un autre exemple de mis en œuvre les voiles du navire objet de l’invention sont assemblées par 4 (800₁, 800₂, 800₃, 800₄) par une structure en treillis (1001) supportant des paliers (1002) guidant en rotation les extrémités distales desdites voiles.

La structure complète est stabilisée et liée au pont du navire par des haubans (1020).

En utilisant des voiles rotatives, le navire objet de l’invention est propulsé par l’intermédiaire de ces voiles pour des vents atteignant jusqu’à 30 m/s. Les voiles étant mises en rotation, la poussée qui en résulte permet de produire de l’électricité.

Pour des vents de vitesses supérieures, jusqu’à 55 m/s, la rotation des voiles est stoppée, la faible traînée des voiles, conférée par leur forme, leur permet de résister à ces vents.

La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l’invention atteint le but visé de produire une voile rotative de type Flettner de grande dimension et suffisamment légère pour être entraînée à relativement grande vitesse de rotation avec une puissance réduite.

Claims

Voile rotative (400, 410, 800) de type Flettner apte à tourner autour d’un axe vertical (401), et comprenant une surface aérodynamique de révolution s’étendant entre une extrémité proximale et une extrémité distale, ladite voile étant d’un élancement, rapport entre sa hauteur (491), mesurée entre lesdites extrémités distales et proximales, et son diamètre enveloppe (490), supérieur à 5 et d’un diamètre enveloppe extérieur supérieur ou égal à 4 mètres, caractérisée en ce qu’elle comprend entre ses deux extrémités une pluralité de tronçons (100, 200, 300) centrés sur l’axe vertical (401) et s’étendant selon ledit axe entre deux cerceaux circulaires parallèles, respectivement d’un diamètre 2r ₁ et 2r ₂ , les délimitant un tronçon étant espacés d’une distance 2h selon l’axe vertical, la forme de la surface aérodynamique de chaque tronçon étant définie par la révolution d’une courbe méridienne continue (103) comprenant entre les deux cerceaux un rayon de gorge r ₀ (113) inférieur ou égal à r ₁ (112₁) et inférieur ou égal r ₂ (112₂).
Voile selon la revendication 1, dans laquelle la surface aérodynamique d’un tronçon est constituée par une membrane tendue entre les cerceaux et que ladite membrane prend une forme de caténoïde (203, 303).
Voile selon la revendication 2, dans laquelle la membrane d’un tronçon suit une caténoïde optimale entre 2 cerceaux (504, 504₁, 504₂) circulaires parallèles d’un diamètre 2r ₁ =2r ₂ =2r et distants d’une longueur 2h selon l’axe vertical, le ratio h/r est inférieur ou égal à 0,6627 et le ratio r ₀ /r entre le rayon r (114₁, 114₂) des cerceaux d’extrémité et le rayon r ₀ (113) de gorge est supérieur ou égal à 0,5524.
Voile selon la revendication 2, dans laquelle la membrane d’un tronçon suit une caténoïde optimisée entre 2 cerceaux (504, 504₁, 504₂) circulaires parallèles d’un diamètre 2r ₁ =2r ₂ =2r et distants d’une longueur 2h selon l’axe vertical, le rayon de gorge r ₀ (113)est compris entre r _m (312) et 1,15.r _m (314) où :
[Math. 14]

et a _m est la solution de l’équation
Voile selon la revendication 1, dans laquelle la membrane (503) de chaque tronçon est tendue entre 2 cerceaux (504₁, 504₂) séparés par une entretoise (501) d’un diamètre inférieur à 2 fois le rayon de gorge r ₀ (113) de la caténoïde, s’étendant selon l’axe longitudinal (401) et assemblée à chacun des cerceaux.
Voile selon a revendication 5, comprenant des haubans s’étendant entre les deux cerceaux (404₁, 404₂) d’extrémité d’un tronçon et entre l’entretoise (401) et la toile (403), et des moyens de tension (421) desdits haubans.
Utilisation d’une voile selon l’une quelconque des revendications précédentes pour la propulsion d’un navire (890), le diamètre de la voile (800) étant compris entre 4 m et 15 m pour une hauteur (491) de ladite voile comprise entre 30 m et 100 m, la voile étant entraînée en rotation autour de son axe vertical (401) à une vitesse comprise entre 50 et 300 tours par minute.
Utilisation selon la revendication 7, dans laquelle le navire comprend une pluralité de voiles (800₁, 800₂, 800₃, 800₄) assemblées à leur extrémité distale par une structure (901, 1001) supportant des paliers (902, 1002) guidant en rotation les extrémités distales desdites voiles.
Utilisation selon la revendication 7, dans laquelle le navire (890) comprend des moyens (850) de production électrique entrainés par le déplacement du navire sous l’effet de la voile, et des moyens de stockage (860) de l’énergie sous forme chimique.