Brevet FR2478217A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne des turbines éoliennes et, plus particulièrement, un système en vue de régler sélectivement le pas des pales de turbines éoliennes à pas variable. Afin d'assurer un rendement optimum des tur- bines éoliennes, il est souhaitable de réaliser ces der- nières avec des pales à pas variable. On règle le pas de ces pales en les faisant pivoter sélectivement sur leurs propres axes longitudinaux, permettant ainsi, à la turbine éolienne, de fonctionner avec une efficacité maximale dans une large gamme de conditions relatives au vent, tout en facilitant le démarrage de la turbine et en empêchant son fonctionnement à des vitesses eu- cessives (par la mise en drapeau des pales) lorsque le vent souffle à grande vitesse, On a proposé différents mécanismes en vue de faire varier le pas des pales des turbines 6oliennes. Dans un mècanisme de ce type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amétrique no 4083.65! déposé aux nonis de Cheney et; al. et accordé à la Demanderesses, on utilise des pales qui sont soumises a une torsion par des organes pendulaires assemblés à ces pales et réagissant, par force centrifuge, à la vitesse du rotor de la turbine éolienne pour somettre les pales à une torsion et faire ainsi varier leur pas dans toute la gamme des conditions de fonctionnement de la turbine. Bien entendu, la gamme de réglage du pas des pales dans un système de ce type est automatique et ne peut être contrVlée conti- nuellement au cours du foncetionnement de la turbine, ce système ne permettant pas non plus d'atteindre des gammes extrêmement larges pour le réglage du pas des pales. Dans un deuxième système de réglage du pas des pales des turbines éoliennes, on utilise un coulisseau tournant avec et pouvant coulisser longitudinalement sur l'arbre principal de la turbine éolienne. Ce coulis- seau est relié, au moyen de plusieurs articulations pleines, aux pales de la turbine éolienne, lesquelles sont montées sur un moyeu rotatif de telle sorte qu'el- les puissent pivoter sur leurs axes propres. Ce coulis- seau est également relié à plusieurs dispositifs de com- mande fixes par l'intermédiaire d'un mécanisme à paliers. Lorsqu'il est souhaitable de procéder à un réglage du pas des pales, les dispositifs de commande agissant à l'intervention du mécanisme à paliers impriment un mou- vement rectiligne au coulisseau sur l'arbre précité, dé- plaçant ainsi les articulations qui, à leur tour, font pivoter les pales. On comprendra que, dans ce système de la technique antérieure, pour régler le pas des pales, il est nécessaire non seulement de déployer une énergie suffisante pour vaincre la résistance à ce mouvement par les pales elles-mêmes, mais également pour surmonter la masse constituée par les articulations, le coulisseau et le mécanisme à paliers, de m&me que les pertes par friction résultant des paliers et du mouvement du cou- lisseau sur l'arbre. Etant donné que l'application in- dustrielle des turbines éoliennes dépend non seulement de la quantité d'énergie accumulée, mais également des pertes associées au fonctionnement de la turbine, on comprendra que des pertes importantes telles que celles énumérées ci-dessus et associées à ce système de réglage du pas des pales selon la technique antérieure pour- raient, dans des conditions marginales relatives au vent, empêcher l'application industrielle de la turbine. Bien que l'on ait proposé différents mécanis- mes de changement de pas pour les hélices d'avions, on a trouvé que ces systèmes étaient généralement inadé- quats pour les turbines éoliennes. Des exemples de ces mécanismes de changement de pas sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 1.908.894 au nom de Findley et 3.163.232 déposé au nom de Grindle et ac- cordé à la Demanderesse. Dans le brevet de Findley, on modifie le pas des pales d'une hélice au moyen d'un moteur électrique monté sur le moyeu et faisant pivoter les pales de l'hélice à l'intervention d'un traind'engre- nages. Du fait que le moteur électrique est relié aux pales par des engrenages, le poids du moyeu de la turbi- ne augmente sensiblement, si bien qu'il en résulte des pertes importantes dans le système. Dans le brevet de Grindle, un moteur hydraulique actionne les pales dans un mode de fonctionnement à changement de pas par l'in- termédiaire d'un système rotatif et relativement massif de cames/engrenages coniques augmentant sensiblement le poids et les pertes d'énergie du système. En conséquence, un objet de la présente inven- tion est de fournir un système de réglage du pas des pa- les des turbines éoliennes en évitant les inconvénients de la technique antérieure. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système de réglage de pas dans lequel chaque pale peut être amenée simultanément sous un angle de pas différent sous l'action de l'appareil de commande. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système léger pour le réglage du pas des pales. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système de réglage de pas de pales dans lequel on minimise les pertes associées à toute liaison entre lélément dlentraînement du système et les pales. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système de ce type caractérisé par une struc- ture économique. Les objets ci-dessus, ainsi que d'autres appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après donnée en se référant aux revendica- tions et aux dessins annexés dans lesquels on représente et décrit un système pour le réglage du pas des pales des turbines éoliennes, système dans lequel chaque pale est actionnée par un dispositif de commande hydraulique indivi- duel monté sur le moyeu afin de tourner avec ce dernier et relié directement à la pale de façon à ne pas devoir recourir à des dispositifs intermédiaires de liaison tels que des articulations, des cames, des engrenages et analo- gues, tout en évitant également les pertes associées à de tels mécanismes. Les dispositifs de commande sont actionnés indépendamment par un élément de réglage éloi- gné du moyeu et alimentant les dispositifs de commande par un fluide hydraulique au moyen d'un élément de trans- fert de fluide approprié tel qu'un palier de transfert monté, de préférence, sur l'arbre principal de la turbine. Une alimentation de fluide hydraulique de secours pour la mise en drapeau peut également être montée sur le moyeu en communication directe avec les dispositifs de comman- de. Des éléments à réaction tels qu'un transducteur à déplacement linéaire variable, forment une entrée d'un système de réglage en continu indiquant la position du pas des pales. Ces éléments à réaction sont alimentés par des éléments appropriés tels qu'un assemblage à ba- gues collectrices/balais pouvant également relier la sortie de l'élément à réaction à l'élément de réglage. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une élévation latérale d'une grande turbine éolienne dans laquel!e on utilise le sys- tème de réglage de pas de pales suivant la présente in- vention, une partie de cette figure étant élaguée pour montrer les détails structuraux de la turbine; la figure 2 est une élévation latérale sché- matique, partiellement en coupe et élaguée, d'une partie du système de réglage de pas de pales suivant la présen- te invention; la figure 3 est une élévation latérale schéma- tique, partiellement en coupe et élaguée, d'une deuxième partie du système de réglage de pas de pales suivant la présente invention. En se référant aux dessins annexés, le système de réglage du pas des pales d'une turbine éolienne sui- vant la présente invention est conçu pour être utilisé avec une turbine éolienne dans laquelle deux pales à pas variable 10 et 12 ou plus sont montées sur des paIieiz appropriés (non représentés) prévus sur un moyeg rotatif 14 (figure 2) recouvert d'une casserole 15 de telle sor- te que les pales puissent pivoter sélectivement sur leurs axes longitudinaux afin de régler la vitesse de fonctionnement de la turbine éolienne dans une large gamme de conditions relatives au vent, de même que pour la mise en drapeau des pales lorsqu3il s'avère souhai- table d'interrompre le fonctionnement de la turbine. Le moyeu est fixé à un arbre rotatif 16 à partir duquel n'importe quelle charge désirée telle quRme machine électrique dynamique 18 ou analogues, peut être entrai- née. La vitesse de 1 arbre peut être accélérée ou ra- lentie ainsi qu8on le désire au moyen d2une boîte dîen- grenages appropriée 20. La charge, de même que la boîte d'dengrenages 20 et les différents dispositifs de régla- ge 50 peuvent être installes à]intérieur d'une nacelle 22 montée sur une articulation à rotule ou à pivot libre 24 au-dessus dlune tour 26, généeralement en amont des pales 10 et 12. Le systèi-e de reglage de pas de pales suivant la présente invention comprend des premier et second dispositifs de commande hydrauliques ou moteurs 28 ré- glant chacun le pas deune seule pale de la turbine à laquelle ils sont reliés directement. Bien que, dans la forme de réalisation préférée, on représente deux pales et denix dispositifs de commande, on comprendra que la présente invention englobe n'importe quel nombre de pales avec les dispositifs de commande qui y sont asso- ciés. Chaque dispositif de commande comprend un cylindre 30 muni d 'un piston à mouvement de va-et-vient 34 avec sa bielle correspondante 36 disposée à l'intérieur du cylindre vis-à-vis duquel elle effectue un mouvement de va-et-vient. Un fluide hydraulique est introduit dans et évacué de ce cylindre sur les faces opposées du pis- ton par l'intermédiaire de canalisations hydrauliques 38 et 40. Comme représenté le plus clairement en figure 2, à l'extrémité libre de sa bielle, chaque dispositif de commande est relié à la racine de la pale correspon- dante à une première chape 42, le point d'assemblage étant espacé d'une distance d de l'axe longitudinal a de la pale de telle sorte que le mouvement de va-et- vient du piston ait pour effet d'imprimer un mouvement pivotant à la pale sur son axe longitudinal. k l'extré- mité fermée du cylindre du dispositif de commande, l'ex- trémité opposée de ce dernier est articulée en 44 sur une partie centrale 46 du moyeu 14 afin de minimiser l'obstruction présentée au vent par le mécanisme de commande des pales. Etant donné que chaque dispositif de commande ne doit actionner qu'une seule pale, ces dispositifs de commande sont généralement légers et com- pacts comparativement aux différents systèmes de réglage de pas de pales de la technique antérieure dans lesquels un seul dispositif de commande actionne toutes les pales lors du réglage du pas de ces dernières. En conséquence, l'utilisation de plusieurs dispositifs de commande au lieu d'un seul dispositif de commande plus puissant ne pose pas un problème sérieux en ce qui concerne le poids du moyeu de la turbine. De plus, on comprendra que l'utilisation d'un dispositif de commande individuel et léger monté sur le moyeu pour chaque pale permet de relier directement ce dispositif de commande à la pale, si bien qu'il n'est pas nécessaire de prévoir, entre la pale et le dispositif de commande, des liaisons mécani- ques lourdes et encombrantes telles que les coulisseaux, les articulations et les paliers utilisés dans les tur- bines éoliennes de la technique antérieure, de même que les assemblages rotatifs à cames et engrenages employés dans les mécanismes de changement de pas d'hélices sui- vant la technique antérieure. Ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus, ces mécanismes de changement de pas de la technique antérieure réduisent l'efficacité du système en y créant des pertes dues au poids des éléments et aux forces de friction résultant de l'interaction de ces éléments. De plus, le système de la présente invention permet de régler individuellement le pas de chacune des pales si bien que, au besoin, les pales peuvent être réglées simultanément à des pas différents par l'appareil de commande. Comme le montrent les figures 2 et 3, les cana- lisations 38 et 40 partant de chacun des dispositifs de commande 28 passent axialement à travers le centre du moyeu 14 pour se diriger vers les éléments de réglage 50 au moyen d'un premier élément de transfert 52. On com- prendra que ces éléments de réglage 50 règlent le fonctionnement des dispositifs de commande 28. Lorsque les dispositifs de commande sont des dispositifs de com- mande hydrauliques tels que ceux décrits ici, les élé- ments de réglage comporteront, évidemment, des éléments de réglage du débit du fluide hydraulique afin de mettre sélectivement sous pression et depurger les cylindres sur les faces opposées des pistons 34. Un élément de réglage approprié est décrit et revendiqué dans une de- mande de brevet des Etats-Unis d'Amérique déposée au nom de Merritt B. Andrews et ayant pour titre "Wind Turbine Blade Pitch Control System" (= Système de réglage du pas des pales des turbines éoliennes). Comme représenté en figure 1, les éléments de ré- glage 50 sont montés, de préférence, dans une nacelle 22. Lorsqu'on utilise des dispositifs de commande hydrauliques pour les pales, un premier élément de trans- fert comprend un palier de transfert comportant des premier (extérieur) et second (intérieur) organes concen- triques 54 et 56; danis la forme de réalisation préférée, l'organe intérieur 56 peut tourner avec l'arbre 16 sur des paliers 57 et il comporte une partie solidaire de ces derniers. L'organe intérieur 56 comporte plusieurs passages 58 pour le fluide hydraulique, chacun de ces passages comportant une partie radiale extérieure 60 et une partie intérieure 64 dirigée dans le sens longitudi- nal. Chaque passage 58 achemine le fluide hydraulique sous pression aux canalisations associées aux disposi- tifs de commande 28 et aux éléments de mise en drapeau que l'on décrira ci-après. Chaque passage 58 communique, sur sa partie radiale 60, avec un passage annulaire ad- jacent 66 formé dans l'organe extérieur 54, ce passage communiquant avec les éléments de réglage 50 via des canalisations 68 formées dans l'organe extérieur 54 et via des conduites de prolongement 69. Le système de réglage de pas de la présente invention comprend également des éléments à réaction 70 montés chacun sur le moyeu et reliés à une pale corres- pondante pour envoyer, aux éléments de réglage 50, un signal indiquant la position du pas des pales afin que ces éléments de réglage puissent régler continuellement les dispositifs de commande 28 sur la base du signal de réaction pour amener les pales dans une position préci- se. Dans la forme de réalisation préférée, les éléments à réaction comprennent un transducteur électrique ayant un noyau mobile articulé à la racine de la pale à une deuxième chape 72, l'enroulement primaire et l'enroule- ment secondaire (stator) du transducteur étant articulés au moyeu en 74. En conséquence, on constatera que, lors- que les dispositifs de commande 28 font pivoter les pa- les, la disposition relative du noyau et des enroule- ments varie, faisant ainsi varier la sortie de l'enroule- ment secondaire en fonction du pas des pales. Les rac- cordements entre les enroulements primaires et-les en- roulements secondaires des éléments à réaction 70 et les éléments de réglage 50 s'effectuent, en partie, par des lignes 76 s'étendant à partir des éléments à réaction, radialement vers l'intérieur et vers l'arrière à travers l'arbre du moyeu, ainsi qu'à travers le palier de trans- fert intérieur 56 vers le deuxième élément de transfert 80. En se référant à la figure 3, lorsque les élé- ments à réaction 70 sont de type électrique, le deuxième élément de transfert 80 comprend plusieurs bagues collec- trices 82 pouvant tourner avec le moyeu à la même vitesse que ce dernier ou à ume vitesse plus élevée à la sortie du train d'engrenages 20. Dans la forme de réalisation préférée, les bagues collectrices sont montées sur un prolongement solidaire du palier de transfert intérieur 56, encore que l Shomme de métier reconnaîtra dlautres structures équiva- lentes. Conme représenté clairement en figure 3, les lignes électriques passent longitudinalement à travers l'organe intérieur ou arbre 56 et radialement vers 1lex- térieur, tandis qu'elles sont raccordées aux faces des bagues collectrices par soudage ou analoguaes, Les ba- gues collectrices 82 vilennent s tengager sur des balais fixes 84 pouvant coulisser sur les bagges collectrices et montés sur un support fixe 86. Des lignes lectri- ques 88 raccordent l.es balais à l'appareil de commande. Ainsi qu'on l8a exposé ci-dessus, les éléments de réglage 50 règlent l'alimentation du fluide hydrauli- que vers les dispoeîtifs de corwâande 28 en réponse à un signal relatif a la position di pas, ce signal étant émis par les élements à réaction 70; les détails des éléments de réglage ne font pas partie de la présente invention. En conséquences on comprendra que ces élé- men-s de réglage sont constitués de circuits logiques hydrauliques et électieques cooperants en n importe quel montage approprié. On peut se référer à la deman- de de brevet precitée d'Andre-ws dans laquelle on décrit un circuit de réglage hydraulique pouvant être utilisé dans wm système de réglage de pas du type décrit dans la présente spécification. Lorsqu'on doit procéder à un réglage i.ndépendant des dispositifs de commande, les éléments de réglage seront évidemment équipés de circuits logiques redondants plaçant simultanément chaque pale sous i. angle de pas différent lorsque les conditions de fonctionnement 1 'exigent. Le système de réglage de pas de la présente invention peut également &tre équipé d'éléments action- nant les pales pour leur mise en drapeau en cas dur- gence et ce, indépendamment de l'alimentation en fluide des dispositifs de commande, si bien que ces éléments fonctionneront en dépit de tout vice de fonctionnement survenant dans cette alimentation. Dans la forme de réalisation préférée, ces éléments comprennent un ré- servoir ou un accumulateur 90 pour un fluide hydraulique sous pression, ce réservoir ou cet accumulateur communi- quant, via une canalisation 91 et une soupape d'asservis- sement 92, avec le eté du dispositif de commande cor- respondant qui doit être mis sous pression pour la mise en drapeau de la pale associée. Cette soupape d'asservis- sement 92 peut être commandée hydrauliquement ou élec- triquement par l'appareil de commande 50. Si elle est commandée hydrauliquement, la partie d'asservissement ou le dispositif de commande de cette soupape communique- ra avec les éléments de réglage 50 par les passages prévus dans le palier de transfert. Si elle fonctionne électriquement, cette soupape sera actionnée par la partie électrique des éléments de réglage 50 en y étant raccor- dée par l'assemblage à bagues collectrices/balais du deuxième élément de transfert 80. En conséquence, on comprendra qu'avec le sys- tème de la présente invention, on règle effectivement et efficacement le pas des pales d'une turbine sans devoir recourir aux assemblages mécaniques d2un poids élevé et souvent complexes de la technique antérieure pour relier les pales et leurs dispositifs de commande. Ces dispositifs de commande peuvent être relativement légers, puisqu'aussi bien ils fonctionnent chacun indé- pendamment des autres pales et qu'ils ne doivent action- ner qu'une seule pale. Les raccordements entre les dis- positifs de commande et les éléments de réglage sont également réalisés avec un montage économique, réduisant ainsi davantage la puissance requise par un système de ce type> ce qui améliore l'efficacité globale d'une turbine éolienne dans laquelle on utilise le système de réglage de pas. En installant les accumulateurs de mise 247821? en drapeau sur le moyeu à proximité des pales, le système peut assurer la mise en drapeau même si une défaillance vient à survenir dans l'alimentation primaire en fluide des dispositifs de commande. Bien que l'on ait décrit une seule forme de réalisation du système de réglage de pas de la présente invention, l'homme de métier reconnaîtra différents systèmes équivalents et il est entendu que les revendi- cations ci-après couvrent ces systèmes équivalents ren- trant dans l'esprit et le cadre réels de la présente invention. 12- REVENDICATIONS 1. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne, caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu rotatif, au moins deux pales à surface portante s'étendant généralement radialement vers l'extérieur à partir de ce moyeu pour tourner avec ce dernier, chacune de ces pales pouvant pivoter sur son axe longitudinal afin d'en faire varier le pas, des éléments de commande étant montés sur ce moyeu et pouvant tourner avec ce dernier, tout en étant reliésdirectement aux pales afin d'amener ces dernières à un pas sélectionné, ce système de réglage comprenant également des éléments à réaction montés sur ce moyeu et reliés activement aux pales pour émettre un signal indiquant le pas de ces dernières, des éléments de réglage éloignés de ce moyeu, ces éléments de réglage réglant les dispositifs de com- mande en-réponse, au moins partiellement, au signal émis par les éléments à réaction, de même que des pre- mier et second éléments de transfert conçus pour établir une communication, au travers d'une interface rotative/ fixe, entre les éléments de réglage et les éléments de commande, ainsi que les éléments à réaction respective- ment. 2. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les éléments de commande sont des élé- ments de commande hydrauliques réagissant à un fluide hydraulique sous pression qui y est acheminé. 3. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 2, caracté- risé en ce que le pas de chaque pale est réglé indivi- duellement par au moins un dispositif de commande hy- draulique de telle sorte que les pales puissent être amenées simultanément à un angle de pas différent. 4. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 3, caracté- risé en ce que le premier élément de transfert comprend un palier de transfert hydraulique constitue d'un pre- mier et dtun,second organe concentriques, un de ces organes étant entranlé en rotation avec le moyeu, tandis qu:il comporte des passages de fluide communiquant avec les dispositifs de commande hydrauliques, l'autre orga- ne étant fixe et comportant des passages de fluide com- muniquant avec les passages du premier organe> ainsi qu'avec les éléments de réglages , Système de réglage de pas des pales d'une t0 turbine éol:ernne suivant la revendication 4., caractéri- sé en ce que chaque dispositif de commande hydraulique comprend un cylindre hydraulique dans lequel est dispose un piston à mouvement de vaet-vient, ce dispositif de commande étant articulé à la racine d8une pale et à une partie centrale du moyeu, 6 Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 2, caractéri- sé en ce quail comprend également des élémenrts de mise en drapeau montés sur le moyeu pour tourner avec ce dernier, ces éléments de mise en drapeau acheminant" en réponse à un signal émis par les éléments de réglage primaires, un fluide hydraulique sous pression vers les éléments de commande de telle sorte que ces derniers assurent la mise en drapeau des pales. 7, Systèmne de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 63 caractérisé en ce que les éléments de mise en drapeau comprennent un réservoir de fluide hydraulique sous pression et une sou- pape d'asservissement communiquant avec ce réservoir et avec les éléments de commaande hydrauliques afin de régler le débit du fluide hydraulique entre eux en ré- ponse à des signaux de commande émis par les éléments de réglage primaires. 8. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments à réaction comprennent un trans- ducteur différentiel linéaire variable relié activement aux pales de telle sorte que la sortie de ce trarnsduc- teur varie en fonction de la position du pas des pales. 9. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chaque pale est reliée à un seul transducteur différentiel linéaire variable. 10. Système de réglage de pas des pales d'une turbine éolienne suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le second élément de transfert comprend plu- sieurs bagues collectrices pouvant tourner avec le moy- eu et raccordées électriquement au transducteur diffé- rentiel linéaire variable, ce second élément de trans- fert comprenant également plusieurs balais fixes pouvant entrer chacun en contact électrique par glissement avec une des bagues collectrices et conçus pour établir un raccordement électrique avec les éléments de réglage primaires.