Brevet FR2293589A1 — publié le 19760702

La présente invention est relative aux hélices pour générateurs d'énergie éolienne . Elle concerne plus particuliérement les pales de ces hélices et les contraintes mécaniques dont le pied de chacune de ces pales est le siège . Elle concerne aussi la conande du pas des pales de ces hélices La contradiction essentielle d'une hélice,pour générateur éolien notamment , est d'une Part,qu'elle doit avoir un grand diamétre pour balayer un grand flux de vent quand celui-ci est de faible vitesse ; cela permet alors d'extraire une,quantité sensible d'énergie de ces vents qui sont par ailleurs les plus fréquents ; d'autre part, il faut qu'elle ait un diamètre assez faible par rapport à sa résistance mécanique pour pouvoir résister aux vents les plus violents sans risque de détérioration ; en outre , si le diamètre de l'hélice est grand , il faut que le pied des pales ait une résis- tance mécanique exceptionnelle et donc soit d'une complexité et d'un prix de revient élévé , pour pouvoir résister aux conditions extra mes ; et enfin il faut qu'elle soit aérodynamiquement adaptée pour toutes les valeurs de vent qui la traverse L'agencement habituel pour limiter au maximum les effets des vents extrtmes est de mettre individuellement et identiquement les pales dans la position où elles présentent le minimum de trainée aérodynamique .Le système régulateur à boule fréquemment employé pour cela , permet dans les situations intermédiaires de régler le pas des pales de l'hélice qui resta ainsi adaptée dans une certaine plage de vitesse de vent . Une autre solution consiste à faire sortir totalement (conditions extr8mes) ou partiellement (régulation et adaptation) l'hélice du lit du vent .Dans ces deux solutions lescontraintes au pied des pales restent trés élevées car invariablement liéea au diamétre de l'hélice L'invention présente vise à concilier les quatres impératifs que sont :: Io) une hélice de grand diamètre 22) dont les pales ne risquent pas autre détruites dans les situations extr & es 32) dont le prix de révient ne soit pas trop élevé bo) qui reste toujours bien adaptée au vent qui la traverse suivant l'invention ce résultat est obtenu au moyen d'une hélice dont la section droite , perpendiculairement à la direction du vent , décroît quand celui-ci augmente de vitesse par exemple .Cette diminution de section est obtenue par un systéme de rotation des pales de l'hélice de telle sorte que leurs axes , au lieu de tour ner dans un plan perpendiculaire au vent , tournent selon un cône d' angle au sommet variable de 90 à 0 et d'axe parallèle au vent . Ce mouvement de fermeture a pour effet de diminuer les efforts de flexion dans le pied de chaque pale tout en augmentant les efforts de traction le long de celle-ci . Le mouvement de fermeture entraine la commande du pas de l'hélice . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tirons plus clairement de la description qui va suivre , donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif , ainsi que des desseins annexés , dans lesquels : La figure la représente la position instantanée d'une pale de l'hélice ci dessus décrite , pour une valeur de vitesse de vent inférieure à celle qui risquerait de la briser ; la pale I est perpendiculaire à l'axe 23 de rotation de l'hélice La figure Ib est identique à la précédente mais pour une valeur supérieure de vitesse de vent ; l'angle 4 est compris entre 902 et 02. La figure Ic représente une pale de l'hélice décrite quand elle est mise volontairement en position neutre pour inutilisation temporaire . La pale est alors parallèle à l'axe #3 de rotation de 1 'héli- ce ; l'angle 4 est nul la figure 2 représente une vue latérale du moyeu de fermeture 5 d'une hélice bipale ; cette vue est constituée par une demie vue latérale dans sa partie supérieure et par une demie coupe BB dans sa partie inférieure ; la position de la coupe est déterminée dans la figure 2 . Les repères IBis et 183is sChématisent la position couchée de la pale I et la position occupée alors par la bielle I8 . La figure 2 représente la coupe CC déterminée sur la figure 2 représente nuel de l'hélice , parallalélement à son axe de rotation X3 La figure 2 représente , vue de ctté , dans sa partie A , l'aspect du moyeu de fermeture d'une hélice bipale . Nous trouvons en 2 l'axe de rotation , perpendiculaire à l'axe de la pale 17 et à l'axe de rotation #3 de l'hélice , autour duquel la pale tourne sous l'action de la force aérodynamique de traitée . Cette force s'exerce de manière répartie le long de la pale et la résultante de ces forces élémentaires est dirigée suivant la direction du vents qui est paralléle à l'axe de rotation #3 de l'hélice , selon la flèche 7 .Chaque pale I est solidarisée à un secteur circulaire 8 de manière à ce qu'elle puisse tourner librement sur son axe longitudinal I7 , selon lee techniques habituelles des paliers fortement chargés . Les deux secteurs dentés 23 , faisant partie des secteurs circulaires 8 , engrennent l'un dans l'autre dentelle eanié- re qu'à tout déplacement de l'un corresponde un déplacement identique de l'autre .Solidaires des secteurs circulaires 8 , deux bossages 6 permettent d'accrocher des ressorts tels que 22 , 9 où 10 Ces ressorts , dont les actions respectives peuvent avoir pour effet d'augmenter ou de diminuer l'angle 4 , sont fixés soit entre ## les bossages 6 soit entre l'un d'entre eux et l'un. des plaque latérales I u moyeu . L' action globale de ces ressortis est d'éviter que les pales de l'hélice ne se ferment/totalement pour une valeur trés faible de vitesse du vent ; ils permettent par la coibinaison de leurs actions de régler la valeur de l'angle 4 en fonction de la vitesse du vent .Les extrémités des bossages 6 s'appuient sur deux buttées Il qui empêchent que l'angle 4 ne devienne supérieur à 902. La position de ces buttées peut autre variable si les besoins de l'adaptation aérodynamique 1'exigent l'angle 4 pouvant alors varier de 1002 à 0 par exemple Les axes de rotations 2 sont supportés par les plaques late- rales I2 qui assurent le guidage latéral des secteurs circulaires 8 Pour la clarté du dessin de la figure 2 , les roulements à aiguilles des axes 2 et du guidage latéral des secteurs circulaires ne sont représentés que sur la demie coupe BB . Le choix des but#ées à aiguilles permet une grande précision de guidage sous de fortes charges , pour un encombrement réduit et des frottements mécaniques réduits . Seul dans cette demie coupe sont aussi représentés les types de ressorts 9 et 10 de contrainte d'ouverture des pales I Dans son mouvement de rotation autour de# l'axe'2/ voit na- turellement son pas augmenter colle l'inverse da sinus de l'angle 4 de fermeture . Des études théoriques montrent que pour rester # adaptée,tout en ayant une vitesse de rotation limitée , une hélice doit voir croître son pas plus site que la valeur précédemment dé- finie .Pour cela par l'intermédiaire d'une bielle I8 , de la rotule 19 fixée au voisinage du bord d'attaque sur la pale I et de la rotule 20 fixée sur la plaque latérale I2 , la rotation de la pale I autour de l'axe 2 entraine une rotation de celle-ci autour de son axe longitudinal I7 d'une valeur qui s'ajoute ou se retranche à la valeur naturelle de variation de pas de l'hélice cynique . La position de la rotule 29 est à déterminer expérimentalement pour obtenir l'effet recherché L'ensemble du moyeu de fermeture ainsi décrit est supporté par l'axe creux #3 de rotation de l'hélice supporté;; par deux but#ées combinées avec paliers à aiguilles de disposition classique L' axe creux #3 permet de disposer le système de fermeture automatique ou volontaire re-présenté en coupe par la figure 4 Ce dispositif est constitué par une jupe mobile 26,coulissant sur l'extérieur de l'axe t3 , comportant extérieurement une rampe héli- coïdale . Cette jupe est rendue solidaire du chariot 28 intérieur B l'axe t) par les manetons 30 traversant la paroi. de l'axe #3 par les lumiéres 27 .Les manetons 30 sont guidée par les galets 29 Le déplacement du chariot de E vers F est provoqué par l'engrenage du galet 3I , sous l'action du ressort 32 et avec l'autorisation du loquet 34 , dans la rampe hélicoldale de la jupe 26 ; la rotation de l'hélice entraine la rotation de la.jupe et son déplacement dans le sens de la fléche 38 . S'il n'y a pas rotation de lth- lice une roue à cliquets 42 permet par une commande appropriée de faire tourner manuellement l'hélice et donc de provoquer le depla- cement du chariot dans le sens indiqué .L'engrenage du galet 3I n'est possible que si le loquet 34 est effacé , c'est à dire que la bobine 35 est désexcitée soit manuellement (fermeture volontaire), soit automatiquement (mise en sauvegarde par action des protections de survitesse , de vibration ou autre ) . Le réarmement du système de fermeture et donc le fonctionnement normal de l'hélice n'est possible par la tige 33 que si les conditions normales de sécurité sont rétablies Dans son déplacement de E vers F le chariot 28 entraine le le chariot élastique 36 qui lui est solidarisé par le ressort 37 et guidé par la tige 43 portée par le chariot 28 .Le chariot élastique 36 entraine les cibles de traction I4 qui sont enroulés sur les épaulements ISsolidaires des secteurs circulaires 8 . De telle sorte que quand la jupe mobile avance sous l'action du galet 31. et de la rotation de l'hélice , les pales se ferment et l'angle 4 tend à être ramené à sa valeur minimum qui correspond à la position de repli ou de sécurité maximum . L'utilité du chariot élastique est la nécessité de maintenir les cables I4 légérements tendus , mtme quand l'hélice se ferme à une valaur quelconque sous l'action du vent et que le chariot 28 est dans sa position normale arriére La figure I permet de montrer la propriété qu'a une hélice à cônicité variable de diminuer et de limiter les efforts de flexion au pied de chaque pale .La force aérodynamique de trainée de la pale , la flèche 39. , proportionnelle au carré de la vitesse du vent, engendre un moment de flexion qui est ,N F B . O'R' . sin f or comme R' , 41 , point d'application de la force de trainée est en premiére approximation , fixe le long de la pale I , le moment de flexion va décroitre avec le sinus due l'angle de fermeture 4 ;; de même la force de traction le long de la pale I augmentera avec le cosinus de l'angle de fermeture 4 t T = F . cos f L'avantage essentiel du système proposé est que le moment de flexion au pied de chaque pale d'une hélice cônique est toujours limité au moment mécanique qu'engendre le système de contrainte tel que les ressorts 9 , IO et 22 .Par contre la force de traction au gmente beaucoup , mais dans l'étant actuel de-la technique il est infiniement plus facile de satisfaire économiquement un effort de traction qu'un effort de flexion Il va de soi que l'on peut apporter des modifications au mode de réalisation décrit , motamment par substitution de moyens équivalents , sans pour cela sortir du cadre de 1 'invention ; nous cite rons ici , à titre non.limitatifs , quatre exemples : zen Système de solidarisation dee secteurs circulaires 8 par des cables ou des bandes de métaux plats , notamment en acier à ressort, liant les points M et N , O et P. 22) Système de rotation autour des axes 2 par un ensemble de leviers et de bielles dit à parallélogramme croisé 32) Système de guidage des secteurs 8 par des roulements et des secteurs à bille 40) Système de commande de la contrainte mécanique autour des axes de rotation 2 par un vérin hydraulique,commandé par exemple , par une régulation tenant compte de la vitesse du vent , de la vitesse de rotation de l'hélice et de la puissance demandée Le dispositif , objet de l'invention , peut donc être utilisé pour constituer la partie active d'un générateur éolien de grand diamètre . Le syatéme est notemment applicable pour une hélice possédant un nombre quelconque de pales . La disposition de l'hélice à conicité variable est avantageusement située à l'arrière , par ray,- port à la direction du vent , du pylône qui la supporte . De cette manière l'ensemble du générateur adopte naturellement une position aérodynamiquement stable , ce qui évite l'utilisation d'un système d'orientation de hélice face au vent Nomenclature des repéres des figures I - Pale 2 - Axe de rotation des sec- teurs circulaires 3 - Axe de l'hélice 4 - Angle de fermeture 5 - Moyeu de fermeture dans son ensemble 6 - bossage de secteur circulaire 7 - Direction du vent 8 - Secteur circulaire . 9 - Ressort à laie IO - Ressort à boudin Il - But#ées de guidage I2 - Plaques latérales è 13 - Tige guide I4 - Câble de traction 15 - Gorge d'enroulement I6 - But#ée d'axe I7 - Axe longitudinal de rota tion de la pale 18-- Bielle de pas I9 - Rotule de pale 20 - lotule de moyeu 21 - Entretoise arriére de moyeu 22 - Ressort à boudin entre parties mobiles 23 - Secteurs dentés 24 - Roulement d'axe 2 . 25 - Roue à cliquets 26 - Jupe de commande de fermeture 27 - Lumière de l'axe 3 28 - Chariot de fermeture 29 - Galet de chariot . 30 - maneton de chariot e 31 - Galet de rampe hélicoïdale 32 - Ressort d'application 33 - Tige d'armement 34 - Loquet de fermeture 35 - Bobine de maintient. 36 - Chariot élastique 37 - R-essort de tension 38 - Fléche de sens d'action de fermeture 39 - Force de traînée aérodyna lique 40 - R : rayon de l'hélice . 4I - 2' : point d'application de la force de traînée 42 - Secteur à aiguilles de ran fort de guidage 43 - Rampe hélicoïdale . REVENDICATIONS I - Hélice pour générateurs d'énergie , notenent à partir d'énergie éolienne , caractérisée en ce que il est utilisé des moyens qui permettent de faire varier la cônicité de la surface dé- crite par l'axe des pales d'une hélice . 2 - Hélice suivant la revendication I,caractérisée en ce que ces moyens fonctionnent automatiquement en rapport à la vitesse du vent qui traverse l'hélice 3 Hélice suivant la revendication I , caractérisée en ce que ces moyens fonctionnent automatiquement en rapport avec les diapo- sitifa de sécurité de l'hélice 4 - Hélice suivant la revendication I , caractérisé. en ce que ces moyens fonctionnent automatiquement en rapport avec la puissance demandée par l'utilisation . 5 - Hélice suivant la revendication I , caractérisée an ce que ces moyens sont commandés volontairement ' 6 - Hélice suivant l'une quelconque des revendications I h 5 , oW d'une quelconque de leurs combinaisons, caractériiéê en ce que la pointe du cbne décrit par l'axe des pales de l'hélice est dirigé 4 dans le sens opposé à la direction du vent 7 - Hélice suivant la revendication 6,caractériiée en ce que le dit cbne occupe la position arrière par rapport au vent sur le pyl6ne qui le supporte . 8 - Hélice suivant les revendications I b 5 , caractérisée .1 ce que le mouvement de rotation de fermeture de chaque pale est lié bilatéralement au mouvement de fermeture de chacune des autres pale 9 - Hélice suivant les revendications I à 5 et 8 , caractérisée en ce que des contraintes mécaniques agissent sur le mouvement de fermeture des pales de l'hélice et permettent que celles-ci se ferment suivant une loi en rapport avec la vitesse du vent qui traverse l'hélice 10 - Hélice suivant les revendications I k 5 , 8 et 9 , carac térisée en ce que le mouvement de fermeture des pales commande , par rotation de chaque pale sur son axe longitudinal , une variation complémentaire à la variation naturelle du pas de la pale quand celle-ci se ferme