Brevet FR2374531A1 — publié le 19780713

La Présente invention porte sur un dispositif de régulation permettant l'exploitation rationnelle d'un aéromoteur à régime rapide, à axe horizontal parallèle à la direction du vent. Ce qui implique pour ce dernier de fonctionner Par vents faibles et donc de produire de l'énergie électrique des que possible dans le cas d'un aéro-générateur Et par vents forts et- violents, sans aucune contrainte mécanique supplementaire, risquant d'endommager l'aéromoteur lui-meme, ainsi que les installations subordonnees à ce dernier : support, récepteur (générateur par exemple). Lorsqu'un aeromoteur, comportant un dispositif destiné à transformer, comportant un dispositif destiné à transformer l'énergie cinétique d'un vent en énergie mécanique, par exemple une hélice avec un rendement aérodynamique connu est soumis à l'action d'un vent, il capte une quantite W d'énergie qui dépend . de la vitesse du vent . de la surface balayée par le dispositif de captage (Hélice dans le cas d'un aéromoteur à régime rapide) . du rendement aérodynamique de l'ensemble dans les proportions citées dans la formule suivante P = K S V3 . P : étant la puissance captee par 1' aéromoteur . K : un coefficient dépendant du rendement aérodynamique de l'aéromoteur . S : la surface du dispositif de captage d'énergie V V : la vitesse du vent. D'après ces données techniques, nous pouvons etablir un aeromoteur, qui suivant ces caractéristiques- données, débitera une quantite W d'énergie mecanique pour une vitesse du vent quelconque. Maintenant accouplons à cet aéromoteur un récepteur n'absorbant que cette quantité spécifique d'énergie. Une augmentation de la vitesse du vent, va provoquer un surcroit de puissance, entrainant de ce fait un sur-regime de rotation de l'appareil, et par là meme l'embal- lement de l'ensemble aéromoteur récepteur. Ce qui peut susciter une usure préma turée de 11 ensemble, ainsi que des contraintes, susceptibles d'endommager partiellement ou de détruire l'installation aeromotrice. Dans toutes les réalisations destinées à capter l'énergie cinétique du vent realisées jusqu'ici, le critère fondamental de base dans la construction d'un aéromoteur a été axé sur le fonctionnement fiable et sans danger de ce dernier par vents forts, supérieurs au vent nominal de l'appareil.Les principaux dispositifs, destinés à obtenir ce resultat sont directement dérivés de la formule précédemment citée donnant la puissance d'un aéromoteur P = K S V3 Afin de capter une puissance constante pour une vitesse de vent croissante, les divers dispositifs destinés à lá régulation des aéromoteurs à régime rapide se divisent en deux catégories ceux qui agissent par une diminution de la surface de captage de l'énergie cinétique du vent, soit par désorientation de l'hélice du lit du vent, soit par repliement de l'hélice. ceux qui agissent par une chute du rendement aérodynamique de l'hélice même. Le second résultat est obtenu directement par la chute du rendement aéro- dynamique d'un profil d'hélice. En effet, une hélice d'aéromoteur est construi- te selon un tracé précis d'un profil, dit profil aérodynamique. Ce profil pour une vitesse de rotation de l'hélice et d'un calage donné sous l'action d'un vent de vitesse connue, débite indirectement une certaine quantité d'énergie. Le calage de ce profil sera donc étudié et fixé, afin de donner à l'hélice un rendement optimum pour une vitesse de vent inférieure ou égale à celle du vent nominal. Ce calage correspond à la plus grande finesse aérodynamique, que l'on puisse obtenir d'un profil. Si la vitesse du vent augmente, on assure une régulation par la diminution du rendement aérodynamique du profil de l'hélice. Si nous examinons la polaire d'un profil aérodynamique, Abaque où la finesse aérodynamique est indiquée en fonction de l'angle de calage, nous voyons sous quel angle la finesse aérodynamique est la plus grande et par là même le rendement maximum. Si nous augmentons ou nous diminuons l'angle de calage, la finesse aérodynamique diminue et par conséquent le rendement aérodynamique lui-même. Cette régulation est obtenue par une variation du calage du profil de l'hélice. Les pales sont montées de façon a pouvoir pivoter librement selon leur axe longitudinal. La commande du calage variable est assurée par un système de masselottes qui sont placées de façon à s'écarter de leurs positions initiales, sous l'effet de la force centrifuge. L'écartement décrit par ces masselottes entraine soit l'augmentation, ou la diminution du calage des pales. Afin d'éviter que les masselottes ne commandent la variation du calage des pales avant l'atteinte de la puissance nominale de l'aéromoteur, un ressort compense l'action des masselottes. Au delà de la puissance nominale l'action des masselottes devient supérieure à la réaction du ressort et de ce fait les masselottes s'écartent progressivement de leurs positions initiales et commandent ainsi la variation du calage entrainant la chute progressive du rendement aérodynamique de l'hélice aéromotrice, inversement proportionnelle à la vitesse du vent. Ce système de régulation commandé par masselottes sous l'action de la force centrifuge offre deux alternatives . une régulation par augmentation du calage une régulation par diminution du calage. Pour le premier moyen de régulation, le profil possède un angle calage qui correspond à la plus grande finesse aérodynamique que l'on puisse obtenir de ce dernier. Cet angle de calage est conservé jusqu'à ce que~l'aéromoteur atteigne sa puissance nominale. A ce stade, l'action des masselottes n'est plus compensée par le ressort, et leur écartement entraine l'augmentation de l'angle de calage des pales et la chute progressive du rendement aérodynamique. Ce dispositif possède l'avantage de soustraire les pales de l'aéromoteur à la pression du vent, et ainsi d'éviter des contraintes importantes du fait que la pression du vent sur une surface quelconque, est proportionnelle au cube de la vitesse de ce dernier. Par contre,-il presente l'inconvénient de provoquer certaines difficultes de démarrage, par vents assez faibles, du fait qu'un aéromoteur à régime rapide, possède un faible nombre de pales et qu'à l'arrêt, l'angle de calage est assez réduit, étant donné qu'il correspond à celui de la plus grande finesse aérodynamique du profil. La seconde régulation par diminution du calage peut s'opérer en deux parties, du fait que le mouvement des masselottes commande la diminution du calage. A l'arrêt, on choisit un angle de calage élevé afin de permettre un démarrage aisé de l'aéromoteur. Si l'action des masselottes n'est que faiblement compensée par un premier ressort, l'écartement des masselottes va progressivement amener l'angle de calage du profil à une valeur, pour laquelle la finesse sera la plus élevée et le rendement maximum. A ce stade, l'action des masselottes est à nouveau compensée par un second ressort et jusqu'a l'atteinte par l'aéromoteur de sa puissance nominale. Au delà, l'action des masselottes devient supérieure a la réaction du second ressort et entraine la diminution du calage du profil ainsi que la chute du rendement aérodynamique. La diminution de l'angle de calage se poursuit jusqu'à ce qu'elle atteigne 11 angle ou le rendement sera le plus faible. Mais l'inconvénient majeur réside en ce que la régulation s'effectue par une diminution du calage. Les pales sont amenées perpendiculairement à la direction du vent et de ce fait subissent entièrement la pression du vent qui est proportionnelle au cube de sa vitesse. Cela amène à une construction complexe et difficile d'un ensemble aéromoteur, devant subir sans dommage la pression élevée des vents forts et violents. La présente invention a pour but d'assurer à un aéromoteur à regime rapide du type à hélice bipale à axe horizontal et parallèle à la direction du vent . un démarrage aisé par vents faibles . une régulation efficace par vents supérieurs au vent nominal de l'aéro- moteur, tout en soustrayant l'ensemble des- pales à la pression du vent une synchronisation du mouvement de variation des pales, ce qui évite la présence de vibrations néfastes au bon fonctionnement de l'appareil. Pour parvenir aux résultats précédemment indiqués, le présent dispositif utilise un angle de calage élevé pour le démarrage quiyramene progressivement à un angle de calage plus faible correspondant à celui de la plus grande finesse aérodynamique du profil. une augmentation de l'angle de calage provoquant une chute progressive du rendement du profil. un système de liaison mécanique assurant la synchronisation de la variation du calage des deux pales. Afin d'effectuer les diverses variations de calage prévues : les deux pales sont fixées sur un moyeu central, de façon à pouvoir effectuer librement une rotation et une translation suivant l'axe longitudinal de la pale comme l'indique la figure 1 planche I/5. Les variations de calage seront commandées par la force centrifuge. En effet, tout corps soumis à une révolution subit une force qui s'applique à son centre de gravité G, et qui tend à éloigner le corps de son axe de révolution la force centrifuge. Cette force est proportionnelle à la masse du corps . à la distance entre son centre de gravité et son axe de rotation. . et de la distance parcourue par le centre de gravité dans un intervalle de temps donné. Dans le cas de l'invention la force utilisée est celle agissant sur les deux pales et tendant à les éloigner de leur axe de rotation (cf Fig 2 planche I) C'est ce qui explique la fixation des pales permettant une translation. Ce mouvement de translation entrainé par la force centrifuge appliquée à chaque pale sera converti en mouvements de rotation partiels entrainant les différentes variations du calage du profil aérodynamique de la pale par un dispositif décrit ci-après. Afin d'obtenir une coordination de l'ensemble, le dispositif comporte un double système de compensation et de rappel, composé de deux ressorts travaillant à la compression et montés en série. Ce dispositif est destiné a l'arrêt de l'aéromoteur, à ramener le calage des deux pales à sa posi- tion initiale prévue pour le demarrage de l'appareil, c'est-à-dire à un angle de calage élevé. Le mouvement de rappel du premier ressort qui est un mouvement de translation est converti en un mouvement de rotation partielle, par le même dispositif décrit ci-après. La réaction de ce premier ressort est étudiée de façon que le poids propre des deux pales ne puisse agir sur le présent dispositif. à annuler l'effet de la force centrifuge, pour une plage de fonctionnement de l'aéromoteur comprise entre le régime de rotation correspondant à la vitesse à laquelle l'aéromoteur commence à produire de l'énergie utile et celui correspondant à la puissance nominale de l'appareil puissance maximum qui ne doit augmenter en aucun cas. Cela afin d'immobiliser le calage du profil aerodynamique de la pale sous un angle correspondant à la plus grande finesse aérodynamique, et par là même, au rendement maximum que l'on puisse obtenir pour l'ensemble aéromoteur avec ce profil spécifique. Cette immobilisation est obtenue du fait que la réaction du second ressort est superieure à l'action de la force centrifuge donc par consequent, il ne peut y avoir de mouvement de translation, et par là même de rotation possible. Cette impossibilité de mouvement -entraine le blocage du calage du profil aérodynamique jusqu'à l'atteinte par l'aéromoteur, du régime de rotation correspondant à la puissance nominale de ce dernier.Cela est dû au fait que la réaction du ressort est calculé de façon à ce qu'elle soit superieure à la force centrifuge exercée par un régime de rotation inférieur à celui correspondant à la puissance nominale de l'aéromoteur. A cet instantprécis, il y a équilibre entre les deux forces en presence, et il ne peut y avoir encore de mouvement de translation entrainant une variation de calage. Si maintenant, la force centrifuge-augmente suite à une accélération de l'aéromoteur due à une augmentation de la vitesse du vent, elle va comprimer progressivement le second ressort. I1 s'ensuit donc un mouvement proportionnel de translation qui sera converti en un mouvement partiel de rotation entrainant une seconde augmentation du calage des pales et la chute du rendement aérodynamique de l'aéromoteur. Ce ressort est étudié de façon à obtenir un écrasement donné pour une force connue et appliquée à ce dernier. L'écrasement progressif du ressort est soumis, en fonction de l'augmentation de la force centrifuge proportionnelle elle-même, à l'augmentation du régime rotation de l'aéromoteur qui dépend de la vitesse croissante du vent.Donc l'écrasement progressif du ressort qui est directement proportionnel comme nous venons de le voir, à la vitesse du vent, va provoquer un mouvement de translation de la pale, qui sera converti en un mouvement partiel de rotation, provoquant ainsi l'augmentation progressive du calage du profil de la pale faisant ainsi diminuer la finesse aérodynamique de ce dernier et par là même son rendement. L'augmentation progressive du calage sera-choisie en fonction de la cbute nécessaire de rendement de l'aéromoteur, afin de produire une puissance constante pour un vent de vitesse supérieur au vent nominal de l'appareil. Elle sera choisie aussi en fonction de la chute plus ou moins rapide du profil aérodynamique pour une augmentation de calage donné. Ce second ressort a aussi pour but d'assurer le rappel du calage de la pale à sa position initiale correspondant au fonctionnement de l'aéromoteur pour une vitesse de vent à nouveau inférieure ou égale à la vitesse du vent nominal de l'aéromoteur. Il assure aussi la diminution de l'angle de calage pour une vitesse de vent supérieure à celle du vent nominale, mais tendant à diminuer (cas d'un vent dont la vitesse a augmenté et qui diminue progressivement). Cette diminution s'expliquant par le phénomène inverse provoquant l'augmentation du calage par le fait de l'écrasement plus ou moins accentué du second ressort. Afin de transformer le mouvement de translation de la pale, dû à l'effet de la force centrifuge combinée avec les deux ressorts de compensation, en deux variations de calage de sens inverse l'une de l'autre correspondant . la première à une diminution du calage, partant d'un calage élevé pour aboutir au calage correspondant à la plus grande finesse aérodynamique, calage qui est assez faible en géneral. La seconde, à une augmentation du calage de la pale, qui se présente sous un mouvement de sens inverse du premier. La présente invention utilise un système à double vis hélicoïdale avec inversion de pas pour le second mouvement qui correspond à la régulation de l'aé- romoteur. Ce système agit selon le principe suivant un mouvement de translation par le biais d'une double vis hélicoïdale, est transformé en deux mouvements partiels et consécutifs de rotation, de sens inverse, entrainant ainsi les variations de calage propre à l'aéromoteur. Afin d'effectuer ces mouvements, deux points solidaires de l'axe de la pale et effectuant le mouvement de translation de ce dernier, sont insérés dans un bloc de guidage fixe, leur imprimant un mouvement partiel de rotation du fait de la forme en double pas de vis hélicoïdale du guidage. Dans la pratique, deux galets cylindriques fixés solidairement à l'axe de la pale, sont logés dans les guidages obtenus par l'évidement partiel de l'épaisseur d'un tube solidaire du moyeu.Ce dispositif est schématisé sur la planche fI.5, la figure 1 représente schématiquement le mouvement de la double vis hélicoïdale, la figure 2, l'axe avec ses deux points fixes (1) et le guidage en pointillé (2), la figure 3, le bloc de guidage solidaire du moyeu de la forme d'un tube (1) d'un diamètre intérieur supérieur à celui de l'axe de la pale, et comportant les deux évidements (2) qui forment le guidage imprimant un mouvement partiel de rotation. La figure 4 indique schématiquement le fonctionnement du dispositif, deux mouvements de translation (1 et 2) par l'intermédiaire de la double vis hélicoidale (3 et 4) (5 et 6) étant la position initiale du point fixe et solidaire de l'axe de la pale,entrainent chacun un mouvement partiel de rotation de sens inverse l'un de l'autre (7 et 8). La courbe du guidage sera fonction de la chute du rendement désiré d'un profil donné. Pour obtenir une puissance utile de l'aéromoteur, constante pour un vent de vitesse croissante, il faut une chute du coêfficient de rendement de l'aéromoteur plus accentuée au début que par la suite. Ce qui implique en fonction des caracteristiques du profil aérodynamique, une variation de calage assez élevée au début de la régulation entrainant une chute rapide de la finesse du profil et par la suite une variation plus restreinte de manière à conserver à 1' aéromoteur, le débit d'une puissance constante egale à la puissance nominale de l'aéromoteur. Pour obtenir des deux pales de l'aéromoteur une variation synchronisée du calage, un dispositif assure une liaison mécanique entre les deux pales. I1 est base sur l'accouplement mécanique des deux axes de pales effectuant une rotation partielle due à un mouvement de translation de la pale. Cet accouplement est réalisé par deux engrenages droits, solidaires chacun, d'un des deux axes. Ils seront placés de façon à pouvoir suivre le mouvement de translation. Un dé- calage des deux engrenages au départ, leur permettra une surfacede liaison plus élevée par la suite, du fait du mouvement de translation des pales, ainsi que le montre la figure i, planche III. 5. La position 1 en pointillé étant celle du départ et la position 2 celle correspondant à la régulation de l'aéro- moteur. Fonctionnement général de l'ensemble Le fonctionnement général de l'ensemble est schématisé sur la planche dessin. Du fait de la rotation de l'aéromoteur, la force centrifuge appliquee au centre de gravité des deux pales, va provoquer une translation des pales (Figure 3 PL III. 5) Pour différentes plages de fonctionnement de l'aéromoteur correspondant chacune à une vitesse de vent donnee. Deux ressorts de compression en série vont annuler, ou amortir plus ou moins l'effet de la force centrifuge (1), selon son intensité (figure 4 PL III.5) Selon la valeur des ressorts la force centrifuge va entrainer une première translation (4) agissant sur le ressort 1 (Figure 5 PL III) Une butée règlable va appuyer sur le second ressort (2).A ce moment la réaction du ressort (3) est supérieure à l'action de la force centrifuge et cela jusqu'à l'atteinte de la puissance nominale de l'aéromoteur ou la réaction du ressort sera égale à llaction de la force centrifuge. Le premier mouvement de translation (1) par l'intermédiaire de la premiere partie de la vis hélicoïdale (2) est transformé en une rotation partielle (Figure 5 PL Ici.5) entrainant progressivement la diminution du calage du départ jusqu'au stade où entre en action le second ressort. A ce moment, le calage obtenu correspond à celui de la plus grande finesse aérodynamique du profil de l'hélice, ce qui donne un rendement maximum à l'aéromoteur et cela jusqu'à l'atteinte de la puissance nominale de ce dernier.A cet instant précis, l'action de la force centrifuge (1) (Figure 1 PL IV.5) devenant supérieure à la réaction du ressort (2) celui-ci est comprimé (3) en fonction de l'intensitê de la force centrifuge (figure 2 PL IV.I) Et par l'intermédiaire de la seconde partie de la vis hélicoïdale (2) le mouvement progressif de translation (1) est transformé en une rotation partielle (3) de sens inverse à la précédente, entrainant une augmentation du calage de la pale dans la chute du rendement aérodynamique de cette dernière, assurant ainsi une régulation efficace de l'aéromoteur.Les divers mouvements des deux pales sont synchronisés par une liaison mécanique à deux engrenages droits, évitant ainsi tous les dangers dus aux vibrations d'une hélice dont les pales n'ont pas un calage rigoureusement identique. La présente invention qui a pour but un démarrage aisé par vents faibles, et une régulation efficace par un vent supérieur au vent nominal, peut être utilise pour la production d'energie électrique dans le cas d'un aéro-généra- teur, l'aéromoteur entrainant un générateur : dynamo ou alternateur.La possi bilité de démarrage aisé de l'aéromoteur permet une production d'énergie électrique par vents assez faibles, ce qui est appréciable pour l'utilisateur, étant donne que dans des régions moyennement ventéesla vitesse moyenne du vent pour l'année se situe aux alentours de 3 à 5 mètres par seconde, ce qui permet une augmentation assez considérable de la production d'énergie électrique sur le plan annuel, vu que les vents dits faibles et qui correspondent à une vitesse de 2.5 à 6 m/s, soufflent pendant 130 jours de l'année environ. La régulation efficace et précise permet d'obtenir un régime de rotation à peu près constant ce qui permet l'utilisation d'alternateurs, en vue d'une production de courant alternatif d'une fréquence industrielle (50 Hertz). Du fait de l'effacement progressif des pales de l'aéromoteur, de l'action d'un vent supérieur au vent nominal, la pression maximum appliquee sur l'aéro- moteur est celle appliquée par le vent nominal de l'aéromoteur, ce qui lui offre un fonctionnement sûr et sans danger par vents de vitesse assez élevée, sans contrainte supplémentaire pour le support. REVINDICATIONS 1 - Dispositif obtenant d'un -aéromoteur à régime rapide, un démarrage aisé par vents de faible vitesse, et une régulation efficace pour un vent de vitesse supérieure au vent nominal de l'appareil. Caractérisé par le fait quli opère par une double variation du calage des pales, de sens inverse, l'une de l'autre. La première variation étant une diminution du calage du profil aérodynamique pour atteindre le régime optimum de l'appareil. La seconde variation étant une augmentation de calage du même profil permettant ainsi une régulation par une chute de rendement aérodynamique de l'ensemble. 2 - Dispositif selon la revendication 1 et permettant la commande de la double variation du calage du profil aérodynamique, commandé par la force centrifuge agissant sur les pales mêmes, et sur un système de compensation du présent mouvement, comportant deux ressorts hélicoidaux, permettant ainsi, une immobilisation du mouvement de translation, un mouvement progressif de translation, et un rappel du mouvement aux différentes étapes du fonctionnement du dispositif. Caractérisé par le- fait que la double variation du calage des pales est obtenue par un ensemble comportant une double vis hélicoïdale de sens opposé transformant le mouvement de translation imprimé aux pales en deux variations inverses du calage du profil, correspondant à deux mouvements partiels de rotation de ce même profil. 3 - Dispositif permettant d'obtenir un fonctionnement de l'aéromo- teur, sans vibration, ni trépidation, dû à un calage rigoureusement identique des profils durant leurs différents mouvements de variations. Caractérisé par le fait que le mouvement synchronisé des deux pales EST Obtenu par une liaison mécanique du mouvement de translation des pales. 4 - Dispositif selon la revendication 3 Caractérisé par le fait que la liaison mécanique du mouvement de translation des deux pales et permettant un mouvement synchronisé de celles ci, est obtenue par deux engrenages droits solidaires chacun d'un axe de pale, s'engrennant de façon à pouvoir suivre le mouvement de translation de l'axe sans aucune gêne possible pour le fonctionnement de l'ensemble.