Brevet FR2538041A1 — publié le 19840622

Moteur éolien a systeme anti-rafales intégré L'invention concerne les moteurs éoliens a axe horizontal fonctionnant en aval du pylone. Dans les moteurs éoliens connus a axe horizontal, la variation du pas de l'hélice est obtenue par pivotement de la pale autour de son centre aérodynamique. Les systèmes de commande de variation de pas les plus couramment utilises sont actionnées par la force centrifuge. Dans d'autos modèles sophistiqués on effectue les mesures du vent ambiant, de la vitesse de rotation du moteur, du changement d'orientation du vent, ces informations sont exploitées par un calculateur qui commande de petits moteurs électriques faisant varier le pas de l'hélice. Les inconvénients présentés par ces moteurs éoliens sont les suivants: - constante de temps entre la variation de la vitesse du vent et la modification du pas de l'hélice, ce temps de réponse est toujours trop long, il en résulte des efforts importants sur les pieds de pale; - commande simultanée d'orientation de toutes les pales, et en cas de changement de direction du vent avec des rafales accroissant sa vitesse, les pieds de pale et l'axe du moteur éolien sont soumis à des efforts importants et destructeurs, l'hélice décrit un plan voilé et les taux de fatigue qui en résultent ne sont actuellement/8tculables par manque de données précises.Les constructeurs se contentent d'essayer de renforcer la fixation des pieds de pale, des axes et des roulements pour eviter la rupture, ce qui revient à augmenter la masse donc l'inertie dynamique et à rechercher un compromis entre la vitesse de mise en alignement avec le sens de déplacement du vent et le gauchissement du plan de rotation des pales; - dans la plupart des modèles connus, il est nécessaire d'immobiliser la machine au-dessus de 50 KM/H. Comme l'énergie du vent croit avec le cube de sa vitesse, ils ne permettent pas de recueillir d'énergie en cas de tempête au moment ou celle-ci est maximale, bien au contraire, ces modèles nécessitent une surveillance constante ou au moins un dispositif automatique de mise en drapeau. Tel qu'il est décrit dans le texte qui suit , le moteur éolien selon l'invention résout le problème consistant à absorber les rafales et à continuer a fonctionner en tempête sans risque de destruction, et à emmagasiner un maximum d'énergie cinétique. La variation du pas de l'hélice est supprimée et remplacée par un système anti-rafales intégré agissant sur l'angle d'incidence des pales sous la pression du vent. L'angle d'incidence est le résultat de l'opposition entre: la force centrifuge et les caractéristiquesd'un amortisseur agissant sur les pieds de pale d'une part, et les forces engendrées par le déplacement de l'air environnant les pales d'autre-part. Toute variation brutale ou simplement rapide de la vitesse de l'air environnant engendre une variation immedia- te de l'angle d'incidence supprimant la surcharge dOe à la constante de temps inhérente a la plupart des systèmes actuellement employés. La variation de l'angle d'incidence en fonction des variations du vent apparent ou relatif, en pression et en orientation est obtenue en fixant chacun des pieds de pale sur un support articulé coopérant avec un levier à rayon variable sur lequel agit simultanément un amortisseur rééquili- brant les pressions , permettant une auto-orientation plus souple amortissant l'effort radial sur l'axe du moteur, augmentant l'angle d'incidence à l'arrêt par modification du point d'appui de l'amortisseur sur le levier de réglage d'incidence. Cette position à l'arrêt favorise le démarrage de l'hélice à faible vent. Les avantages présentés par le moteur éolien selon l'invention sont les suivants: - Fiabilité très accrue de l'ensemble malgrE;son apparente finesse, - Suppression des efforts imprevus sur les pieds de pale -- Grande légèreté de l'ensemble par rapport aux modèles existants - Auto-orientation rapide au vent sans danger, même en cas de rafales très brutales - Permet pour une même surface balayée, un rendement annuel beaucoup plus important notamment dans les régions à rafales de tempête(de l'ordre de 3 fois) - Utilisation de pales légères - Il n'est pas nécessaire de limiter le rendement à des vitesses de vent inférieures à 15 m/sec (54 KM/H).Pour memoire (Betz définit la puissance disponible au metre carré balayé comme étant de 0,156 KWH pour un vent de 7,50 m/s et 1,248 KWH pour un vent de 15 m/s - Pylône allégé en raison du faible poids du moteur éolien - Possibilite de fonctionner en toute sécurité à proximité d'obstacles naturels ou artificiels engendrant des accélérations locales de la vitesse du vent naturel mais inégales sur la surface balayée par l'hélice. - Amortissement immédiat des vibrations inhérentes aux hélices bipales - Possibilité d'utiliser les "Chateaux d'eau" comme pylone. Ils existent déjà et sont sur des sites très favorables - Rapport SECURITE/PRIX excellent - Limitation de la vitesse de rotation de l'hélice par décrochage de son profil, le moteur éolien continue à délivrer l'énergie correspondant à cette vitesse en cas de tempête. Il n'est pas nécessaire d'en arrêter le fonctionnement - Sa légéreté permet de l'immobiliser par simple surconsommation d'un alternateur à aimants permanents pour les opérations d'entretien. - Démarrage à 3,75 m/s. La vitesse moyenne de démarrage des bipales actuels est de l'ordre de 5 m/s. -L'invGntion est décrite en détail dans lé texte qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures: 1,2,3,4, montrent schématiquement vu en élévation un moteur éolien selon l'invention soumis à diverses forces de vent; 5 - montre schématiquement le moteur éolien selon l'invention vu en bout; 6 - montre le moteur éolien selon l'invention vu de côté; 7 - montre un schéma de l'angle d'incidence d'une pale 8,9,10,11,12 - montrent des exemple de fixation du pied de pale selon l'invention; 13 - montre un mode de réalisation de pales par modules selon l'invention; 14 z montre en coupe la fixation des voiles de pales selon l'invention; 15,16 - montrent un exemple d'hélice tripales avec son amortisseur selon l'invention; 17,18 - montre un exemple de double éolienne montées sur un chateau d'eau. La fig.1 montre schematiquement un exemple d'helice bi-pales par temps calme, sans vent, en position d'attente du vent, les pales 1,2, vers le vent dont le sens est représenté par des flèches XX'. Le système anti-rafales comporte un moyen 4 fixé sur l'arbre récepteur 3, recevant les pieds de pales sur les supports articulés 5,6, munis chacun d'un levier 7,8, sur lequel s'appuie l'amortisseur 9 qui sera décrit plus en détail sur la fig.8. La fig.2 montre les pales soumises à un vent progressif en fonctionnement normal, les pales se rapprochent de leur alignement, l'amortisseur 9 se comprime légèrement et se deplace vers une position de résistance minimale en réduisant la longueur du bras de levier agissant sur les pieds de pales. La) figes montre les pales soumises a une forte rafale dans l'axe. Le point d'appui de l'amortisseur 9 sur les leviers d'articulation des pieds de pales se rapproche du moyeu, ce qui permet une plus grande inclinaison des pales qui peut aller jusqu'a environ 200. La figure 4 montre les pales soumises a une violente rafale avec un changement brutal d'orientation Le point d'appui de l'amortisseur sur le levier 8 glisse vers le fond de sa lumière (voir les fig. suivantes 8,9,) et reporte l'effort de la pale de droite 2 vers la pale gauche 1, limitant ainsi le déséquilibre de pression et évitant une fatigue excessive de l'axe pendant la période d'orient tion de l'ensemble dans le vent.Les pieds de pale sont protégés du fait de ce type de montage articule 5 grâce à la différence de longueur du bras de levier résultant de la position variable du point d'appui de l'amortisseur, l'effort transmis de la pale 2 sur la pale 1 est amplifie du fait de l'inégalité du rapport des bras de levier entre les deux pieds de pale, le choc de la rafale est absorbé en grande partie par l'amortisseur qui contribue à accélérer la réorientation des pales au vent. La fig.5 montre l'emplacement de la dérive, en aval du pylone, dans la zône inutilisée hors de la surface balayée par les pales, non soumise au couple giratoire de l'hélice. o La fig.6, montre une vue de côté de l'emplacement de la dérive 10 sur un moteur éolien selon l'invention avec son pylône 11, son multiplicateur de vitesse 12 et son alternateur 13. La fig.7 montre pour memoire l'angle d'incidence des pales. Les fig. 8,9,10, montrent un mode de réalisation de la fixation du pied de pale avec son angle d'incidence. Les supports 5 et 6 des pieds de pale 1,2, sont articulés en 15,16, sur le moyeu 4. Des vis 17,18, fixent en même temps les leviers 7,8, les pieds de pale 1,2, sur les supports 5,6, les leviers 7,8, sont coupes dans un profilé en cornière, ils comportent une lumiere 19,20, dans laquelle est engagée la tige 21 de l'amortisseur 9 constitué par deux ressorts 22,23 en appui sur les fourreaux coulissants 24,25, et sur la rondelle guide 26 immobilisée au milieu du tube 27 par une goupille 28. L'extrémité sphérique des fourreaux 24,25, est en appui sur l'intérieur des leviers 7,8, de part et d'autre des lumières 19,20. L'amortisseur est maintenu sur les leviers par des rondelles sphériques 29,30, arrêtées par des goupilles 31,32. La fig.11 montre, vue en bouta la fixation des pieds de pale 1,2, donnant directement l'angle d'incidence 33 sur les pieds de pale. Cet angle est de l'ordre de 82 par rapport à la face arrière 4A du moyeu 4, il est obtenu par un fraisage en biais sur le dessus 5A,6A, des supports 5,6, articulés dans un logement fraisé sur le moyeu 4. En perçant le trou de passage de l'axe d'articulation 15 > 16, en biais, parallèlement aux faces biaises 5a,6a, du support 5,6, comme sur la fig.12, on accroît la rapidité de réponse de l'articulation du pied de pale. Grâce aux lumières 19, 20, et au mode de réalisation d? dealiamortisseur, on obtient, de maniere extrêmement simple et peu onéreuse, des leviers à rayon variable, fonction de la position du vent. Les fig.13 et 14 montrent un exemple de réalisation de pales larges par modules comportant une plaque 35 en matière plastique de la longueur de la pale a realiser et un profil de forme 36 également en matiere plastique, obtenu par thermoformage par longueurs mises bout à bout, collées aux extrémités 37,38, arrondi ensuite côté 37 et poncé à angle aigu 38. Les deux parties 35,36 sont fixees entre elles par des vis à tête frai sée 39 sur un profilé tubulaire de section rectangulaire 40 en alliage léger qui constitue le pied de pale fixé lui-même sur son support articulé. On voit mieux en coupe sur la fig.13 la fixation des éléments de pales. Des entretoises tubulaires taraudées 41 sont glissées dans le profilé 40 pour recevoir les vis de fixation 39 de chaque côté. Les hélices bipale de grande largeur facilitent le demarrage et l'accrochape de l'hélice aux basses vitesses du vent sans altération de rendement par accroissement de traitée aero-dynamique qui est la conséquence inévitable de la multiplication du nombre de pales généralement utilises pour obtenir ce résultat. Les fig.15 et 16 montrent un exemple d'amortisseur selon l'invention utilisable avec trois pales et extrapolable à un nombre supérieur de pales. Il comporte un moyeu 43 prévu pour recevoir trois pieds de pale de façon identique aux fig.- 10g11 et 12 et partiellement aux fig.8,9, Les nO de repère de ces figures ont été repris. Le point milieu de l'amortisseur anti-rafales est réalisé au moyen d'un chapeau 43 monté sur une double rotule constituée par une bille taraudée 44 dans laquelle est vissée une tige 45 terminée par une bille 46 fixée sur l'arbre récepteur 47 au moyen d'une bague 48 vissée sur l'extrémité de l'arbre 47 et arrêtee par un écrou 49.Le moyeu 50 est déporté pour donner suffisamment de longueur à la double rotule permettant le déplacement de l'amortisseur en cas de rafales hors de l'axe. La tige 51 de chacun des trois amortisseurs 52 est articulée en chape 53 sur le chapeau de rotule 43 et engagée dans la lumiere 19 du levier articulé 7,8, fixé sur le pied de pale correspondant 54,55,56, un ressort 57 absorbe les efforts sur les pieds de pale comme décrit sur la fig.8. Le renvoi de l'effort sur une ou deux pales s'effectue de la même façon que décrite précdemment en se composant, par exemple les amortisseurs des pieds de pales 55,56, agissant simultanément sur le pied de pale 54 par l'intermédiaire de son amortisseur. Lorsqu'un pied de pale est sollicité, il pousse avec un effort démultiplié par effet de genouillere sur les deux autres pieds de pale. Les fig.17,18, montrent un exemple d'eoliennes montées sur un chateau d'eau 58 juste en dessous du réservoir 59 pour utiliser l'effet d'accélération de l'air du à la colonne centrale, pouh doubler la puissance, faire l'économie d'un pylone et bénéficier de l'effet d'accélération. Ces doubles éoliennes peuvent par exemple alimenter électriquement l'installation de pompage et fournir de l'énergie électrique au voisinage. Ces deux éoliennes se déplacent sur un rail double 60 au moyen de galets de roulement 61,62, fixés sur un châssis 63, l'effort de balancement est absorbé par deux galets 64,65, se deplaçant à cheval sur un rail 66 fixé sur la colonne/s8pportant le réservoir 59 Lorsque le vent devient prépon dérant sur l'une des deux éoliennes, elle tend à reculer en tirant sur les câbles 67,68, accrochés a un chariot 69 disposé entre les éoliennes et se déplaçant sur le rail accroché au réservoir, cela jusqu'à ce que l'équilibre entre les deux éoliennes soit atteint. Le système fonctionne en recherche continue de cet équilibre. Compte tenu de l'accélération du vent produite par la colonne du chateau d'eau, qui est presque toujours inégale sur la surface balayée, les pales tourneront presque en permance sur un plan plus ou moins voilé. Il ne serait pas possible d'utiliser des moteurs éoliens non équipés d'un système anti-rafale car ils seraiènt rapidement détruits par les efforts anormaux quasi permanents qu'ils auraient a supporter. Bien entendu on peut monter ce moteur éolien de façon traditionnelle en amont du pylone > - mais ce montage lui ferait perdre une partie de ses avantages, notamment d'auto-orientationD il faudrait rajouter un bras support de dérive, donc un poids supplementaire. R E V E N D I C A T I O N S: 1 - Moteur eolien a système anti-rafales intégré comportant au moins deux pales fixées sur un moyeu solidaire d'un arbre récepteur caracterise en ce que chaque pale (1,2) est fixée sur un bloc support (5,6) articulé perpendiculairement a l'axe des pales sur un moyeu (4) solidaire de l'arbre récepteur (3) , chaque support (5,6,) reçoit en outre un levier (7,8) à rayon variable coopérant avec un amortisseur anti-rafales (9). 2 - Moteur selon 1, caractérisé en ce que le levier à rayon variable (7,8) de chaque pied de pale,solidarisé au bloc support, comporte une lumière (19,20) sur une aile perpendiculaire à la pale, ladite lumière coopére avec la tige (21) de l'amortisseur(9). 3 - Moteur selon 1, caractérisé en ce que le support articulé est un bloc (5,6) disposé dans un logement du moyeu (4) et articulé sur celui-ci au moyen d'un axe (15,16) et en ce que la partie supérieure dudit bloc (5a,6a) est parallèle à l'axe d'articulation et parallèle à la base (4a) du moyeu. 4 - Moteur selonl,Xcaracterise en ce que la partie superieure (5a,6a) du support articulé présente une pente (33) de l'ordre de 80 par rapport à la face inférieure (4a) du moyeu. 5 - Moteur selon 1,3 et 4, caractérise en ce que l'axe d'articulation (15,16) du support articulé (5,6) est parallèle à la face inclinée (5a,64. 6 - Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac térise en ce que les pales sont réalisées par longueur d'éléments modulaires (36) obtenus par thermoformage d'une feuille de matière plastique, lesdit éléments (36) sont assemblés par collage en bordure sur une plaque (35) également en matière plastique pouvant faire toute la longueur de la pale, les deux parties (35,36) sont ensuite vissés sur un profilé de section rectangulaire tubulaire en alliage léger (40) qui constitue le pied de pale fixé sur son support articulé. 7 - Moteur selon 1, caractérisé en ce que l'amortisseur anti-rafales pour une helice à trois pales ou plus, comporte une double rotule montee préférablement sur le bout d'arbre récepteur (47) et coiffée d'un chapeau (43) recevant en chape les tiges (51) de chacun des amortisseurs en appui sur les leviers (7,8) des pieds de pale correspondants. 8 - Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracterisé en ce qu'il est monté sur un chateau d'eau faisant office de pylone, sous le réservoir, en coopération avec un second moteur éolien situé diamétralement oppose, se deplaçant sur des rails circulaires en recherche couplee d'équilibre au vent au moyen de câbles (67,68) les réunissant, disposés entre les deux moteurs et fixés sur un chariot (69) se déplaçant sur un rail circulaire fixé sous le réservoir (59).