Brevet FR2432626A1 — publié le 19800229

L'invention est relative aux éoliennes ou aérogénérateurs électriques a hélice a axe'horizontal, notamment de petite et moyenne puissance. On connait des aérogénérateurs dans lesquels la régulation de vitesse de l'hélice se fait par augmentation de l'angle d'incidence de ses pales, ou diminution de l'angle de calage. Dans ces aérogénérateurs, les pales ne peuvent etre effacées lors des tempêtes, ce qui entraîne le risque de la destruction totale de l'aérogénérateur. On connait aussi des aérogénérateurs dans lesquels la régulation se fait par diminution de l'angle d'incidence des pales de l1hélice, grâce a des contrepoids soumis a la force centrifuge, les pales étant reliées entre elles par des pignons coniques. Un tel aérogénérateur est d'un cout de réalisation élevé, surtout Si l'on désire incliner les pales vers l'arrière dans le cas des hélices sous le vent, car les pignons exigent alors un taillage spécial. De tels aérogénérateurs ne sont pas non plus protégés efficacement à l'égard de la destruction lors d'une tempête. On connait encore des éoliennes dans lesquelles la régulation est obtenue par torsion élastique des pales elles-mêmes. Mais ce dispositif de régulation donne naissance a des vibrations impossibles à amortir. Il ne permet pas non plus une mise en drapeau totale des pales lors d'une tempête. L'éolienne selon l'invention fonctionne dans des conditions meilleures que les éoliennes connues et offre une plus grande sécurité. Elle est propre à être construite avec des éléments disponibles dans le commerce, ainsi de qualité éprouvée, et est d'un prix de revient relativement faible. Elle est caractérisée en ce que l'axe principal de l'hélice est creux, une tige de commande d'incidence des pales tant logée dans ledit axe. La tige est actionnée par un dispositif qui assure la rEgu- lation de vitesse par diminution d'incidence des pales. Un second dispositif d'actionnement de la tige commande la mise en drapeau complète des pales lors des tempêtes. L'axe creux de l'hélice fait partie d'un mécanisme classique appelé quelquefois réducteur pendulaire et qui est utilisé dans l'éolienne en tant que multiplicateur. La tige centrale commande l'incidence des pales par l'intermédiaire d'un palonnier ou étoile et de biellettes à rotules reliant les branches de l'étoile ou palonnier a des manivelles de commande d'incidence des pales. Ces leviers ou biellettes a rotules donnent la possibilité de choisir l'inclinaison des axes des pales, ou de les modifier après essai, dans le cas d'hélices placées sous le vent par rapport au pylône ou mât, de façon a diminuer le moment de flexion du a la poussée du vent par l'action de la force centrifuge. La régulation de vitesse est obtenue par un dispositif centrifuge centré sur l'axe lent du mécanisme, l'intérieur du corps ou nacelle, et entrainé a grande vitesse a partir de l'axe rapide dudit mécanisme par l'intermédiaire de courroies. L'invention prevoit également l'entraînement a partir dudit axe rapide d'une dynamo auxiliaire basse tension du type automobile, utilisée en outre pour assurer la tension des courroies. A l'effet des masselottes du dispositif centrifuge s'oppose un ressort central. Dans une réalisation, le ressort est placé sur la tige d'un amortisseur télescopique reliée a la tige commandant l'incidence des pales. L'invention prévoit que le corps de l'amortisseur est fixé, par l'intermédiaire d'un roulement à billes servant de butée à double effet, sur une barre transversale montée à une extrémité à articulation sur le corps ou nacelle et dont l'autre extrémité porte un écrou monté sur la tige filetée d'un vérin électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs basse tension. A partir d'une certaine force de vent, un capteur commande le vérin électrique basse tension qui tire l'amortisseur et ainsi la tige de commande jusqu'a la position correspondant a l'incidence nulle des pales. Ce capteur peut être constitué par un anémomètre à dynamo tachysétrique, ou plus simplement, dans le cas d'une hélice sous le vent, par une palette située a l'avant de l'aérogénérateur et sounise a l'action d'un ressort taré avec amortisseur. Le dispositif de mise en drapeau peut être complété par une minuterie renforçant le rôle de l'amortisseur et destinée a éviter un retour prématuré à la position de marche après une rafale de courte durée. Le vérin électrique est également commandé par un contact relié à un détecteur de vibrations et aussi par un autre contact actionnable à partir du sol permettant l'arrêt volontaire ou la mise en route de l'éolienne. La description qui suit, faite à titre d'exemple, se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'éolienne; la figure 2 est une vue schématique, partie en coupe, d'une nacelle d'éolienne avec son équipement intérieur; la figure 3 est une vue perspective schématique du multiplicateur pendulaire à axe creux; la figure 4 est une vue schématique d'une partie d'une commande de l'incidence des pales; la figure 5 est une vue schématique d'une partie du mécanisme, pour une variante; la figure 6 est une vue schématique d'un dispositif de sécurité. L'éolienne comporte, & la partie supérieure d'un màt 11 (figure 1), une nacelle 12 montée sur le mât 11 a rotation autour de l'axe 13 de ce dernier. La nacelle 12, à axe horizontal 14, s'étend de part et d'autre de l'axe vertical 13. A une extrémité 15, elle porte le rotor 16 constitué par des pales 17, habituellement au nombre de trois, et portées par un moyeu 18. Chacune des pales 17, a partir de son attache 19, s'éloigne de l'axe 13, en formant, avec un plan vertical 21 passant par son attache, un angle a, de sorte qu'au cours du fonctionnement l'action de la force centrifuge tend à rapprocher la pale dudit plan, contrebalançant ainsi, au moins dans une certaine mesure, l'effet de poussée du vent. Le moyeu 18 forme l'extrémité d'un arbre tubulaire 25 (figure 2) logé dans un manchon 26 faisant partie d'un dispositif de mécanisme 27, en soi connu, utilisé dans la technique en tant que réducteur. Un tel mécanisme est par exemple fabriqué et vendu par GIRARD a Sartrouville ou MERGER a Strasbourg-Meinau. Le mecanisme 27 comporte un boitier 28 (figure 3) en forme de cuvette fermée par un couvercle 29, le couvercle et le boîtier présentant des orifices 31 laissant apparaître des extrémités 32 et 33 du manchon 26. Le dispositif 27 comprend en outre, en saillie par rapport au boîtier 28, un arbre ou axe 34 et le mécanisme intérieur au boîtier introduit un rapport de multiplication entre le manchon 26 et l'arbre 34. A l'intérieur de l'arbre tubulaire 25 est logée à coulissement longitudinal une tige 35 (figure 2) se terminant a l'intérieur de la nacelle 12 par une tête élargie 36 ménageant un épaulement 37. La tige 35 porte à son extrémité opposée 38 faisant saillie hors de la nacelle 12 un collier 39 (figure 4) présentant périphériquement des oeils 41 et sur chacun des oeils est montée sur rotule une tringle 42 pour la commande à rotule, par un levier 43, de l'incidence d'une pale 17, d'une manière analogue à celle des aubes d'une turbine Kaplan utilisée d'une manière courante dans les générateurs hydro-électriques de basse chute. L'arbre en saillie 34 entraîne à son extrémité 45 (fig.2), par l'intermédiaire d'un joint de cardan46,une transmission ou tringle 47 dont l'autre extrémité 48 est reliée, par l'intermédiaire d'un joint de cardan, à l'élément mobile d'un alternateur électrique 49. Sur l'arbre 34 est en outre calée une poulie 51 qui, par l'intermédiaire de courroies 52, entraîne une poulie 53 montée à rotation sur l'arbre 25 avec interposition d'un roulement à billes 54. Sur la face interne 55 de la poulie 53 sont présents des ergots 56 sur lesquels sont montés, à rotation autour d'axes 57, des leviers coudés 58 dont un bras 59 porte à son extrémité une masselotte 61 et dont l'autre bras 62 sert à l'entraînement d'un coulisseau 63monté à déplacement longitudinal sur la tige 35. Sur la face frontale 64 de l'épaulement 36 de la tige 35 s'appuie l'extrémité 65 d'un ressort à boudin 66 entourant une tige de guidage 67 prolongeant l'arbre 35 et dont l'autre extrémité 68 s'appuie, par l'intermédiaire d'un roulement 69 jouant le rôle de butée à double effet, sur une barre 70 montée à rotation autour d'un axe 71 que porte la paroi 72 de la nacelle 12. La barre 70, qui s'étend transversalement à ladite nacelle, porte, à son extrémité opposée à l'articulation 71, un écrou 73 coopérant avec une tige filetée 74, longitudinale, propre a être entraînée dans un sens et dans l'autre par un vérin électrique basse tension 75. Le vérin est sous la commande d'un capteur sensible a la vitesse du vent. Dans la forme de réalisation décrite, le capteur comprend une planchette 76 (figure 1) portée par la partie antérieure 77 de la nacelle 12 et qui, en cas de tempête, passe d'une position montrée en trait plein à la position montrée en trait pointillé. Le fonctionnement est le suivant Lorsque le rotor 11 tourne sous l'action du vent, son mouvement est transmis par l'intermédiaire de l'arbre tubulaire 25 et du mécanisme 27, jouant alors le rôle de multiplicateur, par l'intermédiaire du cardan 46 et de la tringle 47, à l'alternateur 49 qui est entraîné à grande vitesse et produit de l'énergie électrique. La poulie 51 entraîne a vitesse relativement élevée la poulie 53 et l'action des masselottes 61 s'exerce pour solliciter la tige 35 dans un sens ou dans l'autre. En cas de vitesse croissante, le coulisseau 63 sollicite la tige 35 de la droite vers la gauche dans le sens marqué par la flèche sur la figure 2, contre l'action du ressort 66, et l'incidence des pales 17 est diminuée. Si la vitesse du vent diminue, l'action du ressort 66 devient prépondérante et l'incidence des pales est à nouveau augmentée. Le rotor reste ainsi constamment dans les meilleures conditions pour un rendement élevé de l'éolienne. Lorsque la vitesse du vent devient excessive pour le bon fonctionnement de l'éolienne, le capteur 76 déclenche l'actionnement du vérin électrique 75 et l'appui que fournit la barre 70 au ressort 66 est déplace de sorte que l'incidence des pales est amenée à la valeur qui convient en cas de tempête. L'invention prévoit également une commande du vérin 75 par un actionnement manuel, amenant ainsi à volonté l'éolienne à l'arrêt et la ramenant dans sa condition de fonctionnement. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 5, le ressort 66 entoure une tige 81 prolongeant la tige 35 et qui fait partie d'un dispositif amortisseur 82 dont l'extrémité 83 est attelée par l'intermédiaire d'un roulement 83 jouant le rôle de butée à double effet sur la barre 84 portant l'écrou 73. L'invention prévoit de disposer au sol une batterie électrique rechargée par la dynamo auxiliaire basse tension, de type automobile : lorsque la tempête cesse, cette batterie fournit au vérin électrique l'énergie nécessaire pour le retour en position de marche normale, ce qui rend sans effet nuisible une longue période d'arrêt de l'éolienne. L'ensemble mécanique et électrique est logé tout entier a l'intérieur de la nacelle et ainsi est soustrait à l'effet des intempéries. I1 est construit à bon marché, faisant appel à des pièces du commerce, d'une solidité éprouvée. Dans une réalisation, une coupelle 101 (figure 6), reçoit une boule 102 et est placée dans la nacelle à proximité des pales 17, la disposition étant telle que la boule 102 reste dans la coupelle aussi longtemps que ne se produisent pas des vibrations excessives. S'il se produit de telles vibrations, par exemple en raison d'une rupture de pale, alors la boule 102 échappe à la coupelle 101, ce qui déclenche un contacteur à cable 103, lequel assure l'alimentation du vérin électrique 73 pour amener le rotor dans la condition inopératoire. REVENDICATIONS 1.- Eolienne à rotor a pales a incidence variable en fonction de la vitesse et porté par une nacelle orientable autour de l'axe vertical d'un mât, caractérisée en ce que l'arbre du rotor est tubulaire pour le passage d'une commande de l'incidence des pales et est solidaire du manchon ou axe creux faisant partie d'un réducteur pendulaire utilisé en multiplicateur et dont la sortie entrain l'alternateur. 2.- Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre tubulaire du rotor loge une tige coulissant longitudinalement commandant l'incidence des pales du rotor a la manière des aubes d'une turbine Kaplan. 3.- Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tige de commande de l'incidence des pales est actionnee à partir d'un dispositif centrifuge centré sur l'axe de la tige de commande. 4.- Eolienne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif centrifuge est entraîné a partir de l'arbre de sortie du mécanisme multiplicateur. 5.- Eolienne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'entratnement du dispositif centrifuge a lieu par l'intermédiaire de deux poulies reliées par courroies. 6.- Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tige coulissante est soumise à l'action d'un coulisseau relié au dispositif centrifuge. 7.- Eolienne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la tige est soumise a l'action d'un ressort s'opposant a celui du coulisseau. 8.- Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'autre appui du ressort est une barre intérieure à'la nacelle. 9.- Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la barre est transversale et montée a rotation autour d'un axe porté par la paroi interne de la nacelle. 10.- Eolienne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la position de la barre est commandée à l'extrémité opposée à son axe d'articulation à l'aide d'un vérin électrique. 11.- Eolienne selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'alimentation du vérin électrique est sous la commande d'un capteur sensible a la vitesse du vent. 12.- Eolienne selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'alimentation du vérin électrique est en outre a actionnement manuel. 13.- Eolienne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'un amortisseur est interposé entre la tige de commande et la barre.