Brevet FR2547360A1 — publié le 19841214

La présente invention concerne des perfectionnements aux moteurs à vent et aérogénérateurs comportant un rotor à hélice à pas variable et régulant leur vitesse de rotation par orientation des ailes vers l'éclipsage ou la mise en drapeau. Dans un aérogénérateur du type précité l'axe constituant le pivot de chaque pale à pas variable est situé dans la partie avant du profil de la pale, au point d'équilibre de portance aérodynamique transversale de celle-ci, c'est à-dire environ au quart avant des types de profils utilisés, ceux-ci étant définis comme devant posséder une bonne stabilité de ce point d'équilibre. De ce fait la section, autrement dit la longueur extérieure du tracé du profil de la pale est beaucoup plus importante en arrière de ce point d'équilibre aérodynamique, vers le bord de fuite, qu'elle ne l'est vers l'avant, vers le bord d'attaque. La masse arrière de la pale se trouve donc beaucoup plus importante que la masse avant. Pour qu'une telle hélice réceptrice fonctionne, la corde du profil de chaque pale doit posséder un angle d1hé- lice par rapport à son plan de rotation. De ce fait les masses arrière et avent du profil de la pale ne se trouvent pas alignées dans le plan de rotation du rotor, passant par l'axe de pivotement de la pale sur elle-mme, mais elles se trouvent respectivement en arrière et en avant de ce plan. Ces masses arrière et avant étant inégales et la masse arrière étant prédominante, il en résulte que, quel que soit le régime de rotation du rotor, l'existence d'une masse arrière en déséquilibre ou perturbatrice par rapport à la masse avant de la pale. Lors d'un ralentissement de la rotation de l'hélice dO à un effet quelconque tel que baisse du vent, remous, retard de régulation inversant l'incidence du profil, mise en utilisation de la puissance de la machine etc, une telle décélération crée une force perturbatrice ou parasitaire résultant de l'énergie cinétique de la masse arrière en déséquilibre de la pale. Cette force perturbatrice tend alors à faire pivoter la pale vers la mise an drapeau, avec toutes les conséquences de cette action. En particulier, par grand vent, la régulation éloignant l'application de cette force et de façon plus sensible Si la machine n'est pas en charge, en cas de ralentissement du vent ou de retard de régulation,l'hélice ralentissant, la force perturbatrice résultant de l'énergie cinétique de la masse arrière en déséquilibre de la pale entratne un pivotement de cette pale autour de cet axe et un transfert de le portance qui transforme l'hélice précédemment préceptrice en hélice propulsive absorbant de l'énergie. Cette absorption conduit à son tour à une augmentation de la décélération du rotor avec amplification du phénomène jusqu'à disparition de l'énergie cinétique de l'ensemble.Cette phase terminée, les pales reviennent face au vent, l'hélice repart et le phdno- mène peut alors recommencer, Une telle alternance rapide et violente de situations dans lesquelles l'hélice est alternativement rdoeptri- ce et propulsive, présente l'inconvénient qu'elle rend la machine peu productrice et qu'en outre elle peut entraîner la destruction rapide de celle-ci. I1 y a lieu de signaler que la mise en charge d'utilisation de la machine entrain le même effet de décélération et par conséquent le meme effet d'éclipsage de la pale, d'ou une disparition temporaire de l'angle d'incidence et de possibilité de puissance, avec des possibilités d'apparition de phénomènes de pompage. Cependant, dans ce cas, du fait de l'absorption de l'énergie cinétique du rotor par utilisation extérieure de la puissance, l'effet est plus limité et le risque de voir l'hélice devenir propulsive est moindre. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant, à ces aérogénérateurs,des moyens particulièrement simples permettant d'éviter la tendance à la mise en drapeau des pales en cas de décélération du rotor. A cet effet cet aérogénérateur ou moteur à vent comportant un rotor à hélice à pas variable, dont les pales sont montées pivotantes autour de leursaxes respectifs,en étant déséquilibrées dynamiquement et présentant de ce fait une masse arrière an déséquilibre ou perturbatrice, est caractérisée en ce qu'il comporte des moyens de compensation sensibles à la décélération du rotor pour exercer automatiquement sur chaque pale, en cas de décélération du rotor, une force sensiblement gale et opposée è la force perturbatrice crée par l'énergie cinétique de la masse arrière ou en déséquilibre de la pale. Suivant une première forme d'exécution de l'invention, les moyens de compensation peuvent être constitués, pour chaque pale, par une masse place sur l'avant du profil de la pale en opposition à la masse arrière perturbatrice. En pratique ces masses qui se trouvent être supportées par les pales, augmentent considérablement la masse de clles-ci et les fatigues dues aux effets centrifuges, si bien que l'emploi de ce moyen ne pourra être retenu que rarement. Suivant une variante d'exécution de l'invention les moyens de compensation sont de préférence constitués par une ou plusieurs masses indépendantes des pales et s'opposant à la masse arrière perturbatrice de celles-ci, ces masses indépendantes étant capables de supporter leur propre contrainte centrifuge ou les reportant sur des éléments du rotor subissant des fatigues moins élevées. Par exemple, les moyens de compensation peuvent être avantageusement constitués par un anneau formant un volant d'inertie. Dans le cas d'un équilibrage ou d'une commande de rotation des pales pour la régulation par des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques les moyens de compensation peuvent être constitués par une masse inertielle réglant de façon appropriée les écoulement fluides de ces dispositifs hydrauliques ou pneumatiques. La liaison entre les pales et les dispositifs hydrauliques ou pneumatiques est alors telle que le ralentissement de la masse inertielle compensatrice engendre l'apparition d'une force opposée à la force perturbatrice créne par l'énergie cinétique de la masse arrière de chaque pale, entraînant ainsi la compensation de cette masse arrière. L'aérognrateur suivant l'invention offre plusieurs autres avantages. En premier lieu, du fait que les mussas et les forces sont établies pour les régimes de vent et les plus éle- vés envisageables, c'est-à-dire les cas ou les pales sont très largement éclipsées et la masse perturbatrice (masse arrière en déséquilibre de la pale) est très éloignée du plan de rotation passant par l'axe de pivotement de la pale. La force copensatrice devient excédentaire au fur et à mesure que le vent et par conséquent le pas des pales diminue et que la force perturbatrice se rapproche de ce plan. Ceci est un avantage important car, par suite d'un ralentissement dû à l'utilisation de la machine, c'est-à-dire à une mise en charge électrique, l'excédent de la force compensatrice s'exerçant sur les pales donne à celles-ci l'incidence nécessa ire pour la mise en charge aérodynamique, la portance exigée de chaque pale demandant à être de plus en plus importante par suite de la diminution de la résultante de l'effet moteur, à mesure que la corde du profil de la pale tend à s'aligner sur le plan de rotation. Ce moyen permet donc d'améliorer la production des machines tout en évitant des phénomènes de pompage. De plus, par les mêmes effets agissant inversement il stabilise et limite les efforts d'accélération en rotation dus aux accroissements de la vitesse du vent et il modère la marhe et la régulation de la machine. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un aérogénérateur suivant l'invention pourvu de moyens compensant la force perturbatrice due à l'énergie cinétique de la masse arrière en déséquilibre d'une pale. La figure 2 est un schéma illustrant l'action des moyens de compensation. La figure 3 est une vue en coupe axiale partielle de l'aérogénérateur pourvu des moyens de compensation représentés sur la figure 1. La figure 4 est un schéma d'une variante d'exécution. Sur la figure 1 est représenté schématiquement le bfiti 1 d'un rotor solidaire d'un moyeu central 2 et sur lequel sont montées plusieurs pales 3. La description dé- taillée d'un tel aérogén8rateur est donnée dans le brevet français NO FR 2 291 378. Les pales 3 du rotor sont réparties régulièrement autour de liaxe xx' du moyeu 2, chacune de ces pales 3 étant elle-même montée à pivotement autour d'un axe 4 qui est incliné vers lavant par rapport à l'axe de rotation xx' du rotor.L'axe 4 de chaque pale 3 est décale vers le bord d'attaque de la pale, en étant situé sensiblement au quart avant de la pale, si bien que la masse avant de la pale comprise entre ce bord d'attaque et l'axe 4 est inférieure à la masse arrière située à l'opposé de l'axe 4 et que par conséquent, pendant la rotation du rotor, chaque pale 3 est soumise à une force centrifuge indiquée par la flèche f0 , lorsque le rotor tourne à une vitesse VO Cette force est due à l'énergie cinétique de la partie de la masse arrière de la pale 3 qui n'est pas équilibrée par la partie avant. Cete masse arrière en déséquilibre ou perturbatrice M est indiquée en hachuras sur les figures 1 et 2. Le rotor de l'aérogéndrateur est pourvu d'un dispositif de régulation assurant un équilibrage dynamique des pales 3 et qui comporte par exemple, pour chaque pale 3, un organe élastique- de rappel 5, tel qu'un ressort de compression, dont une extrémité est liée au bâti 1 du rotor et l'autre extrémité est accrochée à un plateau de régulation transversal circulaire 6 monté à rotation sur le moyeu 2 du rotor et portant une couronne dentée 7 centrée sur l'axe xx' du rotor. Avec cette couronne est en prise, pour chaque pale 3, un pignon conique 8 solidaire d'une tige 9 laquelle porte à son extrémité un pignon ll en prise avec un autre pignon 12 centré sur l'axe 4 de la pale 3 et solidaire de celle-ci.Par conséquent, lorsque le rotor tourne à la vi tesse Vg, la pale 3 tend, du fait de son déséquilibra dynamique, à faire tourner la couronne 7 et le plateau de régulation 6 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la figure 1, sous l'action de le force centrifuge fO, et l'organe élastique de rappel 5 exerce sur le plateau de régulation 6 une poussée qui est transmise à la pale 3 et qui donne une force F s'opposant à la force centrifugefO comme on peut le voir sur la figure 2. De ce fait chaque pale 3 est maintenue inclinée d'un angle a par rapport au plan radial de rotation P passant par axe longitudinal xx' du rotor et l'axe de pivotement 4 de la pale 3. Lors d'un ralentissement de la rotation de l'hélice pour une raison quelconque, par exemple une baisse du vent, l'énergie cinétique de la masse arrière en déséquilibre M donne lieu à l'apparition d'une force perturbatrice fp qui tend à faire pivoter la pale 3 vers la mise en drapeau, c'est-à-dire à l'alignement dans la plan contenant l'axes rotation xx'. Pour compenser cette force perturbatrice fp, l'aérogénérateur comporte, suivant l'invention, des moyens créant une force compensatrice f c sensiblement égale et opposée à la force perturbatrice fp Sur-les figures 1 et 3 la force compensatrice fc est engendrée par un anneau 13 solidaire du plateau de réguletion 6 et formant volant d'inertie.Cet anneau 13 présente de préférence le plus grand diamètre possible pouvant être contenu à l'intérieur du bâti 1 du rotor, afin de limiter la masse de cet anneau.Cet anneau 13 peut constituer également le rotor d'un moteur linéaire ou d'un ralentisseur incorporé dans l'aérogénérataur tel que défini dans la demande de brevet français N082 22121 déposée le 30 Décembre 1982 Par conséquent, en cas- de décélération du rotor, l'anneau 13 formant volant d'inertie tend à faire tourner additionnellement le plateau de régulation 6, dans le sens de rotation, et cette rotation se traduit par un couple exercé sur la pale 3 donnant lieu à la création de la force compensatrice fc. Cette force compensatrice fc annule donc la force perturbatrice fp si bien que la pale 3 conserve son angle d'incidence optimal i. D'autres moyens peuvent être prévus pour créer la force compensatrice fc en cas de décélération du rotor. Ces moyens peuvent être constitués, par exemple, par une masse compensatrice m placée sur l'avant du profil de chaque pale 3, en opposition à la masse arrière perturbatrice t4. Cette masse m est indiquée en trait mixte sur les figures 1 et 2. Une autre forme d'exécution est illustrée schématiquement sur la figure 4. Dans ce cas les organes de rappel élastiques des pales 3 sont constitués par des vérins hydrauliques ou pneumatiques 14 montés entre le bâti 1 du rotor et le plateau de régulation 6. Chaque vérin 14 est relié à une source de fluide sous pression 15 par l'inter médiaire d'un organe de contrôle de débit ou de pression 16 lui-même commandé par un dispositif comprenant une masse inertielle 17. Par conséquent en cas de décélération du rotor le dispositif de commande à masse inertielle 17 agit sur l'organe 16 pour alimenter additionnellement le vérin 14 et faire tourner le plateau de régulation 6 dans le sens donnant lieu à la création de la force compensatrice fco REVENDI2RTI3NS.- 1. - Aérogénérateur ou moteur à vent comportant un rotor à hélice à pas variable, dont les pales t3) sont montées pivotantes autour de leurs axes respectifs (4),en étant déséquilibrées dynamiquement et prdsentant de ce fait une masse arrière en déséquilibre ou perturbatrice (M), caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens de compensation sensibles à la décélération du rotor pour exercer automatiquement sur chaque pale, en cas de décélération du rotor, une force sensiblement égale et opposée à la force perturbatrice créée par l'énergie cinétique de la masse arrière ou en déséquili- bre de la pale. 2.- Aérogénérateur ou moteur à vent suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de compensation sont constitués par une masse (m) placée sur l'avant du profil de chaque pale (3) en opposition à la masse perturbatrice (M). 3.- Aérogénérateur ou moteur à vent suivant la revendication 1 , la rotor comporte un dispositif de régulation comprenant un plateau de régulation coaxial (6) ou tout autre dispositif similaire pouvant subir un débat tenant angulaire déterminé par rapport au rotor,des moyens de transmission (7-12) pour transmettre le mouvement de pivote ment des pales (3) autour de leurs axes (4) à ce plateau de régulation (6) et des organes de rappel élastiques (5) disposés entre le bati (1) du rotor et le plateau de régulation (6) afin de maintenir les pales (3) dans la position angulaire voulue, autour de leurs axes respectifs, lorsque le rotor tourne à sa vitesse nominale,la liaison entre les pales (3) et le plateau (6) étant telle que le ralentissement du plateau par rapport au rotor entraîne une augmentation du pas des pales allant jusqu' la mise en drapeau et qu'au contraire une accélération du plateau entraîne une diminution du pas,caractérise en ce que les moyens de compensation sont constitués par un anneau (13) solidaire du plateau de régulation (6)cet formant un volant d'inertie. 4.- Aérogénérateur ou moteur à vent suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de compensation sont constitués, lorsque les organes de rappel élastiques des pales sont réalisés par des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques (14), par des moyens (15, 16) agissant sur le ddbit et la pression d'alimentation de ces dispositifs hydrauliques ou pneumatiques, dans le but de compenser la force perturbatrice engendrée par la masse arrière en déséquilibre.