Brevet FR2459381A1 — publié le 19810109

La production d'énergie électrique au moyen d'éoliennes est bien connue. Dans de telles éoliennes, l'énergie est produite par le vent qui est ralenti par des pales d'hélice convenablement fixées de manière à tourner et réagir au déplacement du vent. On a utilisé la puissance des éoliennes pour le pompage de l'eau dans des fermes, par exemple, ainsi que pour l'alimentation en énergie électrique pour d'autres applications. Le nombre de pales utilisé peut varier suivant l'application particulière. Une éolienne à hélice du type à deux pales prélève généra- lement davantage d'énergie de l'air que les hélices du type à pales multiples. Ce type d'hélice est relativement léger et a été tilisé commercialement dans des aérogénérateurs électriques. D'une manière générale, les pales et les hélices sont conçues pour s'adapter à des systèmes existants et pour fonctionner à différentes vitesses. La géométrie des hélices peut varier suivant l'application particulière. Cependant, en général, il est souhaitable que la pale soit torsadée d'un certain angle prédéterminé afin de fonction- ner avec un rendement maximal et une réaction maximale au vent. La poussée et la puissance absorbées par une hélice dans un groupe donné de conditions sont en général calculées avant la détermination réelle du type de pales d'hélice à utiliser dans une éolienne. Un ensemble à pales doit être relativement robuste, ce qui exige une poutrelle ou un longeron relati- vement robuste, généralement disposé vers le centre de la structure de la pale. Il est en général difficile de tor- sader les surfaces du longeron sous l'angle souhaité afin d'obtenir un rendement maximal de la pale lorsque des maté- riaux relativement résistants sont utilisés. De tels longe- rons, lorsqu'ils sont construits pour avoir une configura- tion angulaire appropriée et une grande résistance, sont en général très coûteux. L'invention concerne une pale perfectionnée destinée à une éolienne et dans laquelle le longeron ou la poutrelle peut être réalisé à un prix ou coût relativement bas. Les pièces entrant dans la réalisation du longeron de la pale perfectionnée selon l'invention peuvent être ai- sément torsadées sous un angle souhaité. La forme de la sur- face extérieure de la pale peut être aisément obtenue par l'utilisation d'une matière peu coûteuse. L'invention concerne donc une pale perfection- née destinée à une éolienne et un procédé de fabrication de cette pale permettant la mise en oeuvre de techniques de production en grande série. L'invention concerne donc une structure de pale effilée destinée à être utilisée dans une éolienne et comprenant un ensemble à poutrelle ou longeron princi- pal. Cet ensemble comprend des tôles métalliques longitu- dinales allongées, supérieure et inférieure, espacées l'une de l'autre. Une ou plusieurs paires de cornières effilées sont fixées le long des bords longitudinaux opposés des tôles ou feuilles. Après que ces dernières et les cornières ont été torsadées sous l'angle souhaité et maintenues en po- sition fixe, deux bandes de cisaillement à profil en C sont fixées aux cornières, entre les tôles supérieure et inférieure. Une ferrure de montage de la pale sur une éo- lienne est fixée à l'extrémité des tôles et des bandes de cisaillement afin de compléter la structure du longeron. Des ensembles à bords diattaque et de fuite sont fixés sur les côtés opposés du longeron. Ces ensembles confèrent la forme appropriée à la pale et sont constitués principale- ment de pièces en matière plastique et en mousse. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement li- mitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne classique à laquelle la structure de pale selon l'invention peut être appliquée; - la figure 2A est une vue de dessus de l'une des pales pouvant être utilisées dans l'éolienne représen- tée sur la figure 1; - la figure 2B est une vue de face de l'une des pales montrées sur la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant les éléments constituant la structure de pale représentée sur les figures 2A et 2B; - la figure 3A est une vue en perspective éclatée montrant les pièces constituant l'un des segments du bord de fuite représenté sur la figure 3; - la figure 3B est une vue en perspective éclatée montrant les pièces constituant l'un des segments du bord d'attaque représenté sur la figure 3; - la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2B - la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 2B; et - la figure 6 est une coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 2B. Il convient de noter que les coupes transver- sales, bien que représentées comme étant de mêmes dimensions, ont en fait des dimensions différentes qui correspondent à un profil effilé; ces coupes étant les plus grandes à l'extrémité intérieure ou extrémité côté moyeu de la pale et diminuant progressivement au fur et à mesure que la pale s'effile vers son extrémité extérieure ou bout. Par exemple, dans une forme typique de réalisation, la largeur de la coupe de la figure 4 peut être de 137 cm; celle de la coupe de la figure 5 peut être également de 137 cm et celle de la coupe de la figure 6 peut être de 46 cm. Comme représenté sur la figure 1, une éolien- ne 10 comprend deux pales 12 et 14 destinées à se déplacer autour d'un moyeu ou centre monté sur une structure méca- nique faisant partie de l'éolienne. Le diamètre des pales peut être de l'ordre de 37,5 m. Ceci signifie que chacune des pales 12 et 14 peut avoir une longueur de l'ordre de 18 m. La longueur des pales peut être plus grande ou plus faible suivant l'application particulière. Lorsque les pales 12 et 14 sont misesen ro- tation par le vent, de l'énergie est produite dans une génératrice 16. L'énergie électrique de cette génératrice peut être transmise par des câbles électriques convenables afin de commander divers dispositifs tels que des pompes ou afin d'alimenter d'autres dispositifs en énergie électri- que. Comme représenté sur les autres figures, et en particulier sur la figure 3, la pale 12 comprend un ensemble 18 à longeron, un ensemble 20,à bord de fuite, un ensemble 22 à bord d'attaque et une ferrure 24 de pied. L'ensemble 18 à longeron est constitué de deux tôles sim- ples et allongées, alors que les ensembles 22 et 20 à bords d'attaque et de fuite sont constitués de plusieurs pièces ou subdivisés en segments séparés; comme décrit ci-après. L'ensemble 18 à longeron comprend des tôles métalliques allongées supérieure et inférieure 26 et 28 qui s'étendent sur toute la longueur de la pale 12. Ces tôles 26 et 28 peuvent de préférence être réalisées en acier inoxydable sans joints et elles peuvent avoir une épaisseur de l'ordre de 3,18 mm. Quatre ensembles à bandes de recouvrement sont soudés aux tôles 26 et 28. Ces quatre ensembles à bandes comprennent chacun huit ou quatre cor- nières réalisées en acier inoxydable de 3,18 mm d'épaisseur et ayant une longueur de 10 m. Comme représenté plus clairement en coupe sur les figures 4 et 5: les cornières supérieures associées à la tôle supérieure 26 comprennent deux cornières intérieu- res 30 et 32 et deux cornières extérieures 34 et 36. Les cornières inférieures associées à la tôle inférieure 28 sont sensiblement les mêmes que celles de l'ensemble supérieur. L'ensemble inférieur comprend une paire intérieure de cor- nières intérieures 38 et 40 et une paire de cornières ex- térieures 42 et 44. Les diverses cornières 30 à 44 sont disposées dans les angles de l'ensemble 18 à longeron. Les cornières intérieures 30, 32, 38 et 40 peuvent être constituées d'une tôle d'acier inoxydable de 3,18 mm d'épaisseur et peuvent avoir une longueur d'envi- ron 10 m. Ces cornières peuvent être effilées de manière que l'extrémité intérieure de la pale présente une section d'environ 89 par 89 mm et que le bord extérieur présente une section d'environ 38 par 38 mm. Les cornières exté- rieures 34, 36, 42 et 44 formant le second groupe ont une longueur qui n'est que d'environ 6,35 m, mais elles peu- vent également être effilées d'une section d'environ 89 par 89 mm jusqu'à une section d'environ 38 par 38 mm au bout de la pale. Il convient de noter que la figure 5 ne représente que les cornières intérieures et que la figure 6 ne représente aucune cornière. En effet, l'effilement de la pale est tel que le renforcement nécessaire à cette dernière diminue du moyeu vers le bout de la pale. Des bandes métalliques 46 et 48 de cisaille- ment, constituées avantageusement de profilés en C ayant une longueur d'environ 3 m, sont placées entre les tôles supérieure et inférieure 26 et 28. Environ six de ces pro- filés sont disposés dans le bord d'attaque et six autres profilés sont disposés dans le bord de fuite de l'ensemble à bandes du longeron. Les deux profilés intérieurs sont en acier inoxydable d'une épaisseur d'environ 3,18 mm; les deux profilés situés immédiatement à l'extérieur des précédents sont réalisés en tôle d'acier inoxydable ayant une épaisseur d'environ 2,3 mm; et les deux derniers pro- filés, situés vers le bout de la pale, sont réalisés en tôle d'acier inoxydable d'une épaisseur d'environ 1,5 mm. Toutes les bandes de cisaillement 46 et 48 sont reliées les unes aux autres par des goussets couvre-joints50 (figure 3) qui assurent la continuité complète des bandes de ci- saillement du longeron. Les goussets sont constitués de sous-ensembles soudés par points avant l'assemblage final du longeron. L'ensemble 20 du bord de fuite comprend quatre sous-ensembles 52, 54, 56 et 58 (figure 3). Tous ces sous- ensembles sont sensiblement les mêmes et sont convenable- ment effilés le long de la pale 12 de l'intérieur vers son bout. Comme montré sur la figure 3A, le sous-ensemble 52, qui est identique aux autres sous-ensembles 54, 56 et 58, comprend une feuille supérieure et extérieure 60 en fibres de verre et une feuille inférieure et extérieure 62, également en fibres de verre. Un profilé avant 64 de fixation et deux membrures extrêmes 66 et 68 de fermeture sont également utilisés. Les pièces 60, 62, 64, 66 et 68 sont collées les unes aux autres au moyen d'un adhésif époxy- dique. Chacun des sous-ensembles 52, 54, 56 et 58 est rem- pli d'une mousse rigide d'uréthanne ayant un poids spéci- fique d'environ 32 kg/m. Les sous-ensembles 52, 54, 56 et 58 sont assujettis et liés au longeron 18 en acier inoxydable par collage au moyen d'un uréthanne élastomère. Cette ma- tière de liaison donne une certaine souplesse entre l'en- semble à bord de fuite et le longeron en acier inoxydable, permettant certains mouvements dus aux variations de tem- pérature ainsi qu'aux contraintes et aux déformations ré- sultant de la flexion du longeron lui-même. Le fait que le bord de fuite soit divisé en plusieurs tronçons protège ce bord contre les charges excessives. Des jeux d'environ 6,5 mm, permettant certal- nes déformations élastiques sont ménagés entre les sous- ensembles 52, 54, 56 et 58. L'ensemble 22 de bord d'attaque est construit de la même manière que l'ensemble 20 du bord de fuite. Cet ensemble 22 comprend quatre sousensembles 70, 72, 74 et 76 convenablement effilés de l'extrémité intérieure vers le bout de la pale 12. Comme représenté sur la figure 3B, le sous-ensemble 70, qui est identique aux autres sous- ensembles 72, 74 et 76, comprend une feuille 78 de matière plastique et fibres de verre, un profilé 80 de fermeture en matière plastique et fibres de verre et deux nervures 82 et 84 de fermeture en fibres de verre. Les pièces 78, , 82 et 84 sont fixées les unes aux autres au moyen d'un adhésif époxydique. Une plaque 86 de renfort en acier inoxyda- ble est fixée sur le bord d'attaque afin de protéger ce dernier contre les détériorations dues aux chocs. Chacun des sous-ensembles est rempli d'une mousse d'uréthanne rigide d'un poids spécifique de 64 kg/m. Les sous- ensembles 70, 72, 74 et 76 sont ensuite assemblés et fixés sur le longeron 18 en acier inoxydable par collage au moyen d'un uréthanne élastomère et ils sont autrement dispo- sés de la même manière que les sous-ensembles du bord de fuite. Les angles des sous-ensembles des bords d'at- taque et de fuite peuvent être renforcés par de la matière plastique supplémentaire aux endroits o des contacts sont réalisés avec les angles du longeron. L'un des avantages de l'invention est que l'ensemble à longeron peut être réalisé au moyen de pièces de tôle qui peuvent être aisément torsadées sous les an- gles souhaités pendant la fabrication. Une fois que le longeron est formé, le profil de la pale est obtenu au moyen d'une mousse et d'une matière plastique qui peuvent être aisément façonnées suivant toute forme souhaitée en fonction du système dans lequel il est prévu que la pale fonctionne. Pendant la fabrication, l'ensemble 18 à lon- geron est de préférence réalisé sur un gabarit. Ce gabarit (non représenté) peut être constitué d'une embase compor- tant des postes situé. tous les 60 cm environ et conférant à la pale une torsion de 10 , par exemple, ou bien tout autre angle souhaité de torsion. Chaque poste peut comporter un bâti de maintien afin de déterminer l'assemblage final de l'ensemble 18 à longeron. La tôle inférieure 28 du longeron, par exem- ple, et les cornières 30, 32, 34 et 36 qui sont soudées à cette tôle, sont assemblées et torsadées en position sur le gabarit. Lorsque ce travail est réalisé, les bandes 46 et 48 de cisaillement du longeron sont mises en position et soudées par points sur les cornières intérieures 30 et 32, sensiblement tous les 60 cm le long de la tôle 28. La tôle supérieure 26, sur laquelle les cor- nières 38, 40, 42 et 44 ont été au préalable soudées, est ensuite mise en place et soudée par points, tous les 60 cm environ, sur les bandes 46 et 48 de cisaillement. L'assem- blage final du longeron est ensuite réalisé par soudage des deux côtés du longeron, soudage des tôles supérieure et inférieure et des cornières déplacées les unes à la suite des autres vers l'extérieur, sur les deux côtés du longeron, afin d'empêcher toute déformation ou tout gau- chissement de l'ensemble à longeron. Ces opérations de soudage peuvent consister en la réalisation d'une seule rangée de points de soudure espacés d'environ 38 mm. A la fin de l'opération de soudage, les ensembles supérieur et inférieur à tôles et cornières sont torsadés élastique- ment dans le gabarit afin de conférer au longeron une tor- sion de 100 ou de tout autre angle souhaité. La pièce moulée intérieure ou ferrure 24 de pied, qui comporte quatre dents faisant saillie vers l'in- térieur, permet de fixer la pale 12 au moyeu de l'éolienne. Elle peut être une pièce moulée en acier au manganèse ou au carbone, normalisée et trempée. Comme montré sur la fi- gure 4, cette ferrure 24 est usinée de manière à être adaptée au longeron, puis elle est boulonnée sur l'ensem- ble principal 18 à longeron au moyen d'un certain nombre de boulons 88 placés dans chaque angle. Onze boulons peu- vent être disposés dans chaque angle, ce qui correspond à l'utilisation d'un nombre total de boulons normalisés, de 12,7 mm de diamètre, égal à 44. Ainsi s'achève l'assemblage du longeron. Il apparait que la pale selon l'invention peut être réalisée dans des dimensions relativement grandes, qu'elle est relativement peu complexe et qu'elle peut être conçue pour des performances prévisibles. Les matériaux utilisés permettent de fabriquer aisément cette pale par la mise en oeuvre de techniques de production en grande série. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble à longeron décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble à longeron pour structure de pale effilée destinée à une éolienne, caractérisé en ce qu'il comporte des tôles longitudinales, allongées, espa- cées, supérieure et inférieure (26, 28), des cornières effilées de recouvrement (30, 32, 34, 36, 38, 40 42, 44) fixées aux tôles, le long de leurs bords longitudinaux opposés, des paires de profilés de cisaillement (46, 48) fixés aux cornières, entre les tôles supérieure et infé- rieure, et une ferrure (24) fixée aux extrémités des tôles et des profilés de cisaillement. 2. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il s'étend sur toute la lon- gueur de la pale, sans joints, et est torsadé longitudina- lement sous un angle prédéterminé. 3. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que les cornières effilées de recouvrement partent de l'extrémité intérieure de l'ensem- ble afin de s'éloigner de la ferrure vers l'extérieur et vers le bout de la pale, ces cornières s'étendant sur plus de la moitié de la longueur de l'ensemble à longeron, mais non sur toute la longueur de cet ensemble. 4. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que les cornières effilées de recouvrement comprennent deux éléments intérieurs de recou- vrement et deux éléments extérieurs de recouvrement placés dans chaque angle de l'ensemble à longeron, les éléments intérieurs de recouvrement étant plus courts que les élé- ments extérieurs et partant de l'extrémité intérieure de l'ensemble à longeron. 5. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que plusieurs paires de bandes profilées (46, 48) de cisaillement, relativement courtes, sont disposées le long de l'ensemble à longeron, ces bandes profilées ayant notamment une épaisseur qui diminue pro- gressivement de l'extrémité intérieure, comportant la fer- rure, vers l'extrémité opposée de l'ensemble à longeron, les profilés s'étendant de ladite extrémité intérieure vers ladite extrémité opposée. 6. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que des goussets (50) de fixa- tion joignent les bandes profilées afin d'assurer la con- tinuité complète le long de l'ensemble à longeron. 7. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce qu'un ensemble (20) à bord de fuite est fixé sur un premier côté de l'ensemble à longe- ron et en ce qu'un ensemble (22) à bord d'attaque est fixé sur le côté opposé dudit ensemble à longeron, ces ensembles de bords de fuite et d'attaque comprenant respectivement plusieurs sous-ensembles de bord de fuite (52, 54, 56, 58) et plusieurs sous-ensembles de bord d'attaque (70, 72, 74, 76), lesdits sous-ensembles du bord de fuite et du bord d'attaque pouvant notamment être liés à l'ensemble à longe- ron de manière à ménager entre eux certains jeux qui per- mettent une déformation élastique de l'ensemble à longeron sans appliquer des charges aux ensembles des bords de fuite et d'attaque. 8. Ensemble à longeron selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que les sous-ensembles des bords de fuite et d'attaque comprennent des enveloppes remplies de mousse, les enveloppes des sous-ensembles du bord de fuite pouvant notamment comprendre une feuille supérieure (60) en fibres de verre, une feuille inférieure et exté- rieure (62), un profilé avant (64) de fixation et deux ner- vures extrêmes (66 et 68) de fermeture liées les unes aux autres, les enceintes des sous-ensembles du bord de fuite pouvant comprendre une feuille (78) en fibres de verre, un panneau (80) de fermeture en fibres de verre et deux nervures (82 et 84) de fermeture liés les uns aux autres, un élément (86) en métal et en verre étant fixé à ladite feuille (78). 9. Procédé de réalisation d'un ensemble à longeron destiné à une pale d'éolienne, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un gabarit comportant plusieurs postes qui comprennent chacun un bâti de maintien, à tor- sader sous un angle souhaité et assembler en position sur le gabarit une tôle inférieure le long des bords longitudi- naux de laquelle deux premières cornières sont fixées, à souder les ensembles à bandes de cisaillement aux deux premières cornières pendant que la première tôle est main- tenue en position de torsion, à mettre en place une tôle supérieure à laquelle deux secondes cornières sont fixées et à souder les ensembles à bandes de cisaillement à ces deux secondes cornières. 10. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce que le soudage des ensembles à bandes de ci- saillement aux cornières consiste- à réaliser une première série de soudures relativement espacées et destinées à main- tenir les ensembles à bandes de cisaillement et les tôles supérieure et inférieure dans des positions relatives fixes, et une seconde série de soudures relativement rapprochées, le procédé pouvant également consister à lier des bords d'attaque et de fuite à l'ensemble à longeron.