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.