Brevet FR2534041A1 — publié le 19840406

La présente invention est relative au problème de la régulation automatique de la vitesse de rotation d'une éolienne entraînant une génératrice, couplée en aval sur un moteur, sur une batterie ou sur le réseau. Plus précisément, l'invention vise à permettre d'obtenir automatiquement, de manière simple, et avec une sécurité positive, une vitesse de rotation constante qui stmplifie en conséquence le branchement en aval de la génératrice, sur un moteur, sur la bat- terie ou le réseau. L'état antérieur de la technique concernée par la présente invention est représenté initialement par le brevet français nO 1 553 046, déposé le 28 Novembre 1967 au nom de la demanderesse pour "Per- fectionnements aux aérogénérateurs" auquel on se réferera pour bien comprendre le domaine technique précis auquel se rapporte la présente invention. Selon ce brevet antérieur, visant à permettre lfautorégulation de l'aérogénérateur par un dispositif simple agissant sur la (ou les) pale(s) pour en régler le pas en fonction de la vitesse et a' limiter la variation de ce pas en fonction de données préétablies, l'aérogénérateur est muni de masselottes centrifuges, solidaires en rotation des pales, agencées de manière a diminuer le calage des pales lorsque la vitesse de rotation augmente, un ensemble de butées et de ressorts de rappel définissant mécaniquement le ea- lage initial et le calage optimal de fonctionnement Jusqu'à obtention de la vitesse nominale. Pour compléter cet état de la technique, on mentionnera également le premier certificat d'addition à ce brevet, déposé sous le nO 71 19499, le 28 Mai 1971 et publié sous le nO 2 139 649. Cette addition visait à proposer différentes réalisations de l'invention initiale permettant, avec un système mécanique unique d'autorégulation, d'agir simultanément sur le calage de plusieurs pales d'un aérogénérateur. Les aérogénérateurs réalisés selon ce brevet et son addition, malgré le progrès technique qu'ils représentent, présentent toutefois deux inconvénients. D'une part, les moyens d'autorégulation qu'ils comportent, constitués de ressorts élastiques mécaniques actionnés par les masselottes centrifuges, sont nécessairement montés à proximité des parties axiales des pales et, de ce fait, il est malaisé d'en régler le tarage lors de la mise en fonctionnement initial de l'aérogénérateur en fonction des conditions désirées d'exploitation de celui-ci. En effet, on effectue ce tarage avant l'érection verticale de l'éolienne et il risque de ne pas être satisfaisant du premier coup. D'autre part, ces aérogénérateurs antérieurement connus ne comportent pas de sécurité positive, c'est-à-dire fonctionnant automatiquement et sans besoin d'énergie extérieure de commande, pour commander son freinage et son arrêt lorsque l'éolienne, soumise à des conditions d'écoulement anormal et imprevisible du vent, vient à s'emballer ou être sujette à des vibrations inacceptables, ou lorsque l'éolienne doit faire l'objet d'un entretien périodique. La présente invention a précisément pour but de remédier à ces deux inconvénients. A cet effet, selon un premier objet de l'invention, le système d'auto-régulation se caractérise en ce que le ressort de rappel principal est constitué d'un soufflet souple étanche disposé à proximité de-la partie axiale des pales et dont la force de rappel prédétermine la vitesse de rotation de l'hélice, des butées déterminant l'angle de calage des pales, ce soufflet étant en communication, par une canalisation descendant le long du mât de support de l'éolienne, avec un réservoir muni de moyens pour régler la pression à l'intérieur de ce réservoir à partir du sol. Selon une réalisation particulière, ces moyens de réglage de la pression à l'intérieur du réservoir placé au sol sont manuels, permettant ainsi d'ajuster avec précision la vitesse de rotation de la pale aux conditions particulières d'exploitation. Selon un second objet de l'invention, le système d'auto-régulation se caractérise en ce que l'intérieur dudit soufflet peut être mis ep communication avec l'air libre par un distributeur, placé à proximité des pales en haut de l'éolienne, des moyens étant prévus pour que cette mise à l'air libre intervienne en cas d'emballement de la vitesse de rotation de l'éolienne, ou de vibrations de-cette dernière, ce qui a pour effet d'annuler la vitesse de rotation de l'hélice. Selon un complément de ce second objet de l'invention, le système d'auto-régulation se caractérise en ce que l'intérieur dudit soufflet peut également être mis en communication avec l'air libre par un second distributeur, implanté à la base du mât avant le réservoir sous pression, ce distributeur étant commandé manuellement, lors d'entretien périodique de l'aérogénétateur. ^ Selon un autre objet encore de l'invention, le système d'auto-régulation se caractérise en ce que lesdits.moyens de réglage de pression à l'intérieur du réservoir sont associés avec des moyens d'asservissement de cette pression à la puissance fournie par l'aérogénérateur L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante. de différents modes de réali satíon, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma de principe du sys tème d'autorégulation pneumatique d'un aérogénéra teur selon l'invention, - la figure 2 montre l'application de ce principe avec disposition du moyen élastique pneumatique de régu lation en avant des pales, et - la figure 3 correspond à une disposition de ce moyen en arrière des pales. On se reportera d'abord à la figure 1 sur laquelle sont représentés schématiquement les différents moyens qu'utilise en combinaison l'invention. L'éolienne comprend deux pales 1 et 2 montées à calage variable sur un support 3 rotatif autour de l'axe xx'. L'éolienne entrain une génératrice schématisée en 4. L'ensemble, solidaire d'un support 5 peut tourner autour de l'axe vertical yy' d'un mât 6 équipé de haubans 7, et s'oriente dans le vent grâce à l'empennage 8. Selon le brevet français antérieur cité nO 1 553 046, le calage variable des pales 1 et 2 est obtenu grâce à l'action de forces centrifuges tendant à faire varier le calage des pales en s'opposant à la force de résistance d'un organe élastique. Selon ce brevet antérieur, cet organe élastique était constitué d'au moins un ressort mécanique. Selon la caractéristique première de la présente invention, cet organe est constitué d'un ressort pneumatique réglable à partir du sol. Ce ressort pneumatique est constitué, comme on le voit sur les figures 2 et 3, d'une chambre close à paroi souple, par exemple en forme de soufflet 9, reliée par l'intermédiaire d'un joint tournant étanche 10 à une canalisation pneumatique 11 puis à un réser voir d'air 12 sous pression ajustable, implanté au sol. Sur les figures 2 et 3, la référence V indique le sens du vent. La pression, à l'intérieur du réservoir 12, peut être réglée à l'aide d'un régulateur 13 qui peut être un manodétendeur alimenté en air sous pression de toute manière appropriée, par exemple manuellement à l'aide d'une pompe, ou en étant alimenté par une bouteille d'air comprimé ou un compresseur. Cette pression peut également être asservie à la puissance ou au couple fourni par l'éolienne Cet asservissement peut etre obtenu, par exemple, par l'action sur un régulateur de pression 14 ajustant la pression à l'entrée du régulateur 13 par l'intermédiaire d'un vérin 15 se déplaçant dans un sens ou l'autre selon le signe de P~pn p étant la puissance délivrée par la génératrice et Pn la valeur nominale désirée de la puissance fournie par l'éolienne. Une autre fonction importante à assurer pour le contrôle d'une éolienne est son freinage, en vue de son arret, que ce soit pour des causes de sécurité, lorsque l'éolienne s'emballe ou vibre, ou pour des causes d'entretien périodique. Selon l'invention, cette fonction est assurée. par la prévision de deux dispositifs de décharge rapide du soufflet pneumatique. L'un de ces dispositifs, constitué d'un distributeur 16 à trois directions et deux positions, disposé au sol, permet soit d'annuler la pression dans le soufflet, soit de relier ce dernier au réservoir 12. Ce distributeur 16 est commandé manuellement pour arrêter l'éolienne à l'occasion de son entretien périodique. L'autre dispositif de freinage est constitué d'un autre distributeur 17 du meme type que le distributeur 16 et en série avec lui, disposé à proximité du support rotatif 3. I1 est actionné, par exem- ple à l'aide d'un mécanisme centrifuge, lorsque la vitesse de l'éolienne vient à dépasser une vitesse maximale prédéterminée ou, par un mécanisme approprié, en cas de vibrations de l'ensemble tournant. La figure 2 représente, plus en détail, le dispositif de réglage du calage des pales selon l'in- vention, monté sur le support 3 de la figure 1. La pale 1, par exemple représentée perpendiculairement au plan de la figure 2, est montée sur un support 18 rotatif autour d'un axe yy' représenté perpendiculairement au plan de la figure 2. Ce support 18 est lui-mgme monté solidairement sur un support 3 rotatif par ailleurs autour de l'axe xx'. La pale 1 est solidaire d'une masselotte centrifuge, schématisée en 19, de sorte que, lorsque la vitesse de rotation des pales tend à augmenter, la masselotte 19, agissant sur la pale 1, tend à faire tourner celle-ci autour de son axe de pivotement yy' commun au support 3 et au support 18 en vue de faire diminuer l'angle de calage a de la pale. Le support 3 est solidaire en bout d'un plateau 20. Des tiges 21, fixées à ce plateau 20, permettent à un second plateau 22 de coulisser, en modifiant sa position par rapport au plateau 20, et en comprimant le soufflet étanche souple 9. Une autre tige 23, montée pivotante à l'extrémité du support rotatif 18 par un axe 24, passe librement à travers les plateaux 20 et 22 et comprime un ressort 25 entre l'extérieur du plateau 22 et une embase 26. Les parties représentées à la partie inférieure de la figure 2 et symétriques des éléments 18, 24, 23, 25 et 26 correspondent aux mêmes éléments actionnés par la seconde pale 2. L'intérieur du soufflet 9, constituant un ressort pneumatique, communique avec la canalisation pneumatique 11 (figure 1). Fonctionnellement, le ressort 25 correspond au ressort 5 de la figure 3 du brevet français 1 553 046, ressort utilisé lors du démarrage de l'és- lienne jusqu'à ce que sa vitesse de rotation atteigne une fraction déterminée de sa valeur nominale. Lorsque cette valeur nominale est atteinte, le ressort pneumatique 9 qui correspond au ressort principal 8 de cette figure 3 du brevet antérieur entre en jeu. Mais, comme souligné ci-avant, l'avantage du ressort pneumatique 9 est qu'il est réglable à partir du sol en contrôlant la pression régnant à l'intérieur du réservoir 1 et qu'il permet d'ajuster la vitesse de rotation de l'hélice. Le fonctionnement du système d'auto-régulation de la figure 2 est le suivant : au démarrage, l'action des masselottes centrifuges 19 fait pivoter dans le sens de la flèche f la pale 1 pour faire diminuer l'angle de calage a. Le support-18 tourne dans le même sens, et par l'articulation 24, tire la tige 23 et comprime le ressort de démarrage 25 jusqu'au moment où l'embase 26, par l'intermédiaire du ressort comprimé 25, vient en butée contre le plateau 22. Les réglages des éléments sont tels que cela correspond à une fraction déterminée de la vitesse nominale choisie de rotation de l'éolienne. Si la vitesse de l'éolienne tend tend après à augmenter au-dessus de sa vitesse nominale, c'est alors le ressort pneumatique 9, de force réglable à partir du sol, qui entre en fonction. Ce mode de réalisation, selon la figure 2, dans lequel le mécanisme d'auto-régulation du calage des pales est disposé en avant des pales par rapport à la direction du vent V, convient particulièrement aux éoliennes de faibles puissances et de faible dimen sion. On a représenté sur la figure 3 une disposition du mécanisme d-'auto-régulation en arrière des pa-les, convenant mieux aux éoliennes de-plus fortes dimensions et puissance, ce qui implique éventuellement un haubannage des pales vers l'avant ne laissant plus alors commodément d'espace libre pour 1'implantation du mécanisme d'auto-régulation. On a repéré sur la figure 3 par les mêmes numéros de référence les éléments ayant la même fonction que dans la disposition de la figure 2. Par différence, le ressort de démarrage 25, travaillant ici à la traction, est interposé entre l'axe 24 du support rotatif 18 et un axe 27 monté sur le support 3. L'extrémité du support 1 & porte un axe 28 se déplaçant dans une lumière d'une tringle 29 susceptible de faire pivoter autour d'un axe 30 une pièce de renvoi 31 dont une extrémité agit sur la tige 23. Le plateau 20, fixe, est monté sur le support 3 par l'intermédiaire d'un tube entretoise 32. Le plateau mobile 22 vient normalement en butée sur des butées 33 qui remplacent les tiges 21 de la figure 2. Le fonctionnement du système d'auto-régulation de la figure 3 est le suivant : à l'arrert de l'éolienne, l'axe 28, rappelé par le ressort 25, est en butée contre la partie droite de la lumière de la tringle 29. Puis, lors du démarrage de l'éolienne et au fur et à mesure de celui-ci, le ressort 25 se tend progressivement, et l'axe 28 se déplace vers la-gauche dans sa lumière de guidage jusqu'à venir en butée, à gauche de cette lumière, comme représenté sur la figure 3, pour une fraction déterminée de la vitesse nominale choisie de rotation de l'éolienne. Le plateau mo bile 22, enserrant entre lui et le plateau fixe 20 le soufflet pneumatique 2, est alors en butée contre les butées 33.Si la vitesse de l'éolienne tend ensuite à croltre au-delå de sa valeur nominale, la tige 23 sera repoussée vers la droite en vue de comprimer le soufflet 9 et réduire l'angle de calage a et donc la vitesse de rotation de l'éolienne. Comme on l'a déjà mentionné en décrivant la figure 1, on rappelle que la sécurité positive. du système, en cas d'anomalie, consiste à mettre à l'air libre l'intérieur du soufflet 9, par commande appropriée du distributeur 16 ou du distributeur 17, ce qui tend à diminuer encore l'angle de calage a. Ce neest qu'à titre d'exemples que l'on a décrit ci-dessus deux modes particuliers de réalisation de l'invention. Mais l'invention couvre toutes les réalisations mettant en oeuvre de même manière la combinaison fonctionnelle de moyens caractéristique de l'invention, telle qu'exposée généralement au début de cette description. REVENDICATIONS 1. Système d'auto-régulation passive de la vitesse de pale d'un aérogénérateur du type. muni de masselottes centrifuges, solidaires en rotation des pales, agencées de manière à diminuer le calage des pales lorsque la vitesse de rotation augmente, un ensemble de butées et de ressort de rappel définissant mécaniquement le calage initial et le calage optimal de fonctionnement jusqu'à obtention de la vitesse nominale, caractérisé en ce que le ressort de rappel principal est constitué d'un soufflet souple étanche (9), disposé à proximité de la partie axiale des pales (1 et 2) et dont la force de rappel prédétermine la vitesse de rotation de l'hélice, les butées 21 ou 33 déterminant d'autre part le calage optimal.Ce soufflet est en communication par une canalisation (11) descendant le long du mât de support (6) de l'éolienne vers un réservoir (12) muni de moyens (13) pour régler la pression à l'intérieur de ce réservoir à partir du sol. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intérieur dudit soufflet (9) peut être mis en communication avec l'air libre par un distributeur (17), placé à proximité des pales en haut de l'éolienne, des moyens étant prévus pour que cette mise à l'air libre intervienne en cas d'emballement de la vitesse de rotation de l'éolienne, ou de vibrations de cette dernière. 3. Système selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'intérieur dudit soufflet (9) peut également être mis en communication avec l'air libre par un second distributeur (16), implanté à la base du mât avant le réservoir sous pression (12), ce distributeur (16) étant commandé manuellement, lors d'entretien périodique de l'aérogénérateur. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (13) de réglage de pression à l'intérieur du réservoir (12) compartetnt également des moyens (14) d'asservissement de cette pression à la puissance fournie par l'aérogénérateur.