Brevet FR2542818A1 — publié le 19840921

DISPOSITIF A FOR CENTRIFUGE LIMITEUR DE LA VITESSE DE ROTATION DE L'ARBRE DU CAPTEUR D'UNE EOLIENNE, ET MOYENS D'ARRET ET DE BLOCAGE DUDIT CAPTEUR ASSOCIES A UN TEL DIS POSITIF. L'invention se rapporte à un dispositif limiteur de la vitesse de rotation de l'arbre du capteur d'une éolienne. La réalisation à bon marché d'un aérogénérateur d'électricité de chauffage, associant une éolienne à un alternateur qui débite dans des résistances de chauffage, pose un certain nombre de problème qui n'ont pas été résolus jusqu'ici. Dans la demande de brevet français déposée le même jour par la Demanderesse pour : "Dispositif de régulation d'une éolienne comportant un panneau de commande d'effacement basculant sous la commande d'un panneau auxiliaire", on a décrit un dispositif qui assure l'orientation, face au vent, d'une hélice aval à pales fixes et axe horizontal sans gouvernail, et sa mise en drapeau à partir d'une vitesse supérieure prédéterminée du vent. Avec un tel dispositif de régulation, il peut se produire accidentellement un emballement de l'hélice, même dans la limite autorisée de vitesse du vent, par exemple à la suite de la rupture d'une résistance de chauffage. Cela risque d'entrainer la détérioration de l:alternateur, du multiplicateur qui lui est associé, ou de l'hélice elle-même. La présente invention propose de supprimer ce risque en faisant comporter à l'aérogénérateur un dispositif limiteur de vitesse à force centrifuge. Or les limiteurs à force centrifuge connus ne fonctionnent habituellement que pour des vitesses de rotation de plusieurs centaines ou milliers de tours/minute, alors qu'on a besoin ici d'une limitation de la vitesse de l'arbre de l'hélice à quelques dizaines de tours/minute. Suivant l'invention, ce problème est résolu au moyen d'un dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une pièce munie de surfaces de friction et montée dans une boutonnière ména- gée dans l'arbre de l'hélice de façon à pouvoir se depla- cer, le long de l'axe dudit arbre, entre une position de débrayage et une position dembrayage, sous traction de la force de traction exercée par un premier câble relié à une masse soumise à la force centrifuge développée par la rotation de l'hélice pour un seuil de vitesse prédéterminé de celle-ci , un plateau parallèle auxdites surfaces de friction et solidaire d'un cylindre supporté rotatif concentriquement à l'arbre par un palier fixe et entraîné en rotation lorsque ladite pièce est en position d'embrayage où ses surfaces de friction engagent ledit plateau t un second câble fixé au cylindre de manière à s'enrouler sur le cylindre ; et un dispositif de mise en panne de l'hélice commandé par le second câble. Bien que le dispositif limiteur qui fait l'objet de l'invention soit particulièrement intéressant lorsqu'il est associé au dispositif de régulation susvisé, qu'il met d'ailleurs en oeuvre pour assurer la mise en panne de l'hélice, il doit être bien compris qu'il pourrait être associé à un autre moyen de mise en panne, ou même recevoir d'autres applications. L'invention a encore pour objet une structure de l'hélice qui facilite la réalisation pratique dlun tel limiteur. Suivant un mode d'exécution préféré, les pales de l'hélice sont supportées par des tubes à section carrée, l'arbre de l'hélice est creux, et ladite masse est montée coulissante dans l'un desdits tubes, tandis que ledit premier câble est guidé à l'intérieur dudit arbre creux et dudit tube. Une fois l'hélice en drapeau, il est prudent, avant d'effectuer l'intervention qui fera cesser la cause de l'emballement, d'assurer son blocage complet. L'invention a encore pour objet un dispositif de blocage de l'hélice, principalement caractérisé par un sabot qui pénètre dans la structure de l'hélice, avantageusement entre deux tubes de pales consécutifs. Ce dispositif de blocage est de préférence commandé manuellement au moyen d'un câble agissant sur un bras oscillant qui manoeuvre le sabot et il peut être mis en service même sans que le dispositif limiteur soit intervenu, par exemple lorsqu'on veut effectuer des travaux d'entretien, ou en cas de tempête. L'invention a encore pour objet une structure de supportage de l'hélice qui facilite la réalisation pratique de la commande manuelle de la mise en drapeau de l'hélice et du dispositif de blocage. D'autres particularités, ainsi que les avantages de llinven- tion, apparattront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé : La figure 1 représente, vus en coupe, les organes essentiels d'un dispositif limiteur de vitesse conforme à un mode d'exécution préféré de- l'inven tion La figure 2 est une vue d'ensemble a | d'un supportage comprenant une plate-forme fixée au sommet d'un mât tournant, et des organes supportés par cette plate forme et le long de ce mât t La figure 3 est une vue de dessous du sabot de blocage, et ; La figure 4 représente schématiquement et partielle ment la structure de l'hélice. Les mêmes numéros de référence désignent des éléments homologues aux différentes figures. A la figure 1, on a représenté un dispositif limiteur de vitesse à force centrifuge comportant une tige ll qui traverse l'arbre creux 3 de l'hélice d'un aérogénérateur, qui est par ailleurs conforme à la demande de brevet susvisée, dans une boutonnière 110 ; la tige ll est munie, à ses deux extrémités, de deux surfaces de friction 111-112. Celles-ci coopèrent avec un plateau d'embrayage 120 d'un cylindre 12 monté concentriquement à l'arbre 3, sans contact avec celuici, dans un palier 121 fixé à la plate-forme 6, elle-même fixée au sommet d'un mât tournant 9. Un ressort hélicoïdal 13 concentrique à l'arbre 3 et intérieur au cylindre 12 prend appui à une extrémité sur la tige ll et, à l'autre extrémité, sur une butée 130 solidarisée à l'arbre 3. Ce ressort maintient normalement la tige 11 éloignée du cylindre 12, qui est alors immobile. Un câble léger 14, fixé à une extrémité à la tige 11 et muni à son autre extrémité, d'une masse 140 montée coulissante à l'intérieur du tube 1001 qui supporte, comme on lexpllquera dans la suite, l'une des pales de l'hélice (ou de toute autre support tubulaire solidaire de la rotation de l'hélice), passe à l'intérieur de l'arbre 3, sur une poulie 141 et ressort au niveau -des tubes de pales par un trou 142 percé dans l'épaisseur de l'axe 3. La distance entre le trou 142 et la masse 140 est de l'ordre de 1 à 2 ni. La masse 140 ne peut coulisser qu'entre deux boulons 1401-1402 qui traversent le tube 1001. Elle est équilibrée, dans le tube de pale opposé, par une masse fixe non figurée.Pour une vitesse supérieure de sécurité de l'hélice (par exemple de l'ordre de 80 T/min), qui sera atteinte en cas de défaillance de la charge de l'alternateur, ce qui mettrait en danger ce dernier, le multiplicateur et l'hélice elle-même, la force centrifue exercée sur le cable 14 fait coulisser la tige 11 dans la boutonnière, de façon à mettre en contact les surfaces de friction 111 avec le plateau d'embrayage 120, si bien que le cylindre 12 est entraîné en rotation. Un câble léger 15 s'enroule alors sur le cylindre 12 et exerce une tract ion qui déclenche la mise en service du dispositif d'effacement de l'hélice Aussitôt l'effacement amorcé, l'hélice ralentit et le contact des surfaces de friction cesse. Avantageusement, le dispositif dBeffacement de l'hélice est du type comportant un panneau dont le relevage a pour effet, sous l'action de la poussée du vent, d'orienter l'hélice de façon à la mettre en drapeau. Dans ce cas, le câble 15, qui passe sur des poulies de guidage telles que 151 à 154 (figures 1 et 2), traverse un organe de freinage unidirectionnel constitué par exemple, de manière très simple, par deux lèvres en matière élastique 160-161 et porté par la plate-forme 6. Grâce à ce frein, le câble 15 conserve sa position de relevage du panneau jusqu'à intervention humaine. A la figure 2, où le dispositif limiteur qui vient d'être décrit a été représenté de manière très schématique, on a représenté un dispositif qui permet lfiarrêt manuel de hélice. Ce dispositif comprend = un levier 17 fixé de manière pivotante au bas du mât tournant 9 à la portée de l'opérateur t un premier câble 18 fixé en un point 181 du levier par l'intermédiaire dun ressort 180 et, à son autre extrémité, à une poulie 152 passant sur le câble 15 t un second câble 19 fixé en un point 190 du levier 17 et, à son autre extrémité, à un bras 20 disposé longitudinalement, sous la plate-forme 6, entre l'hélice et le mât.Ce bras est monté oscillant autour d'un axe 201 perpendiculaire à la plate-forme et situé dans le plan de celle-ci. A son extré- mité opposée à celle où est attaché le câble 19, il est muni d'un sabot 202 conformé de manière à pouvoir s'emboîter sans heurt et fermement, au niveau du moyeu 2, entre deux tubes de pales consécutifs 1001-1302 figure 8) ou pièces équivalentes de la structure de l'hélice. Le sabot 202 est muni à sa partie inférieure d'un contrepoids 203 qui le ramène en position dégagée lorsque le levier 181 est relevé. L'opérateur, pour arrêter l'hélice, abaisse d'abord en position horizontale le levier 181, ce qui a pour effet d'exercer une traction sur les câbles 18 et 15. I1 en résulte que le panneau du dispositif d'effacement se relève et que l'hélice se met en drapeau. lorsque 19hélice est arrêtée ou presque Si nécessaire grâce à une orientation complémentaire du mât effectuée manuellement à laide du levier 181, l'opérateur abaisse ensuite le levier à fond de façon à engager le sabot et à bloquer l'hélice. Le panneau est maintenu vertical par la traction du ressort 180, qui a absorbé la deuxième partie de la course du levier. Ce dispositif d'arrêt manuel de l'hélice en vue d'effectuer une intervention, permet aussi de la remettre en route après que, le dispositif de limitation de vitesse s'étant déclenché par suite d'une anomalie dans la charge, cette anomalie a été éliminée. Pour obtenir la remise en route, il suffit alors de tirer sur le câble 18 ; en effet, cette action, qui s'exerce à un moment où le panneau du dispositif de régulation (ou équivalent) est relevé et le câble 15 enroulé sur le cylindre 12 et coincé par l'organe de freinage 160-161, a pour effet de dérouler le câble 15, donc de permettre au panneau de basculer en position horizontale sous l'effet de son poids. On notera qu'il existe finalement une coopération étroite entre le dispositif de limitation de vitesse, le dispositif d'effacement de l'hélice décrit dans la demande de brevet susvisée et le dispositif arrêt manuel que l'on vient de décrire. En effet : le dispositif de limitation de vitesse utilise le panneau principal du dispositif d'effacement pour mettre l'hélice en drapeau en cas de dépassement de la vitesse de rotation de l'hélice autorisée ; le dispositif d'arrêt manuel comporte des moyens de déclencher la mise en drapeau préalable de l'hélice par le dispositif d'effacement, par la manoeuvre du levier qui assurera ensuite le blocage de l'hélice pratiquement arrêtée, et des moyens de faire cesser l'action du dispositif d'effacement lorsqu'il a été déclenché par le dispositif limiteur.Grâce à cette coopération, la réalisation des dispositifs limiteur et d'arrêt manuel est simplifiée au maximum et leur efficacité rendue optimale. Toutefois, il doit être bien compris que chacun de ces dispositifs pourrait être utilisé sans que les deux autres le soient, en coopération avec d'autres moyens qui leur seraient substitués pour remplir des fonctions équivalentes, avec toutefois des réalisations plus complexes et des performances moindres. L'utilisation d'un mât tournant facilite évidemment la transmission, depuis le sol, de la commande manuelle du sabot d'arrêt et du câble 15 de commande de basculement du panneau d'effacement : les câbles 18 et 19 suivent ainsi automatiquement les déplacements de leur points d'attache respectifs 152 et 20, solidaires de la plate-forme tournante. L'utilisation d'un mât tournant supprime par ailleurs la nécessité de prévoir un pivot ou une couronne d'orientation de la plate-forme et permet d'installer au niveau du sol le collecteur du courant engendré par l'alternateur. A la figure 4, on a représenté le moyeu 2 et l'arbre 3 de l'hélice. L'arbre 3 est constitué d'un tube creux ayant par exemple 65 mm de diamètre, pour une hélice de 6 m de diamètre comportant 10 pales. Le moyeu en tôle 2, et ses équerres de renforts telles que 2a, 2b, sont soudés sur cet arbre. Sur la face du moyeu situee du côté de la plate-forme sont fixés des tubes 1001-1002 de section carrée, ayant par exemple 30 ou 40 mm de côté, au moyen de brides boulonnées 10010, 10011, respectivement 10020, à cheval sur le pied du tube. Ces tubes sont vrillés avant montage. Les pales proprement dites, réalisées par exemple en tôle de "Duralinox" marque déposée) de 1 mm d'épaisseur, sont boulonnées sur des traverses telles que 1003, elles-mêmes boulonnées sur chaque tube. Cette construction permet de réaliser une hélice de faible poids (170 kg dans l'exemple considéré), facile à monter à partir d'éléments séparés. L'assemblage est stable, les brides réalisant un auto-serrage s'opposant au glissement des tubes sous l'action de la force centrifuge. On notera que les pales sont à pas fixe, d'où la nécessité d'utiliser un dispositif d'effacement assurant une régulation en fonction de la vitesse du vent. On notera par ailleurs que la présence de tubes de pales permet le guidage commode des câbles de commande de l'embrayage et de relevage du panneau et le blocage de l'hélice par embottement du sabot entre deux tubes de pales consécutifs. L'alternateur est du type triphasé rapide. Il s'agit avantageusement d'un alternateur de série, à bagues et balais, avec régulation, produisant, entre 1000 et 4000 T/mn environ, un courant alternatif variable de 0 à 600 V environ. Comme un tel alternateur n'est pas étanche, la plate-forme est recouverte d'un capot étanche (non figuré) offrant une surface de refroidissement d'air suffisante pour permettre à l'alternateur de se refroidir en atmosphère close. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes d'exécution préférés qui ont été décrits et représentés. Revendications de brevet 1. Dispositif limiteur de la vitesse de rotation de l'arbre (3) d'une hélice d'aérogénérateur, caractérisé en ce qu'il comporte : une pièce (11) munie de surfaces de friction (111-112) et montée dans une boutonnière (110) ménagée dans ledit arbre, de façon à pouvoir se déplacer, le long de l'axe dudit arbre, entre une position de débrayage et une position d'embrayage, sous l'action de la force de traction exercée par un premier câble (14) relié à une masse (140) soumise à la force centrifuge développée par la rotation de l'hélice pour un seuil de vitesse prédéterminé de celle-ci ; un plateau (120) parallèle auxdites surfaces de friction et solidaire d'un cylindre (12) supporté rotatif concentriquement à l'arbre (3) par un palier fixe (121) et entrainé en rotation lorsque ladite piece (11) est en position d'embrayage où ses surfaces de friction 2. Dispositif limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre (3) est creux, l'hélice comporte au moins un tube radial (1001), dans lequel ladite masse (140) est montee coulissante et le premier câble (14) est guidé à l'intérieur de l'arbre creux et dudit tube radial. 3. Dispositif limiteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite pièce (11) est une tige qui traverse radialement ledit arbre (3) et est munie d'une surface de friction (111-112) à chaque extrémité. 4. Dispositif limiteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, les pales de l'hélice étant supportées par des tubes à section carrée, ledit tube radial tao01) est constitué par 'un desdits tubes de pales, dont l'extrémité inferieure s'ouvre au voisinage d'un orifice (142) de passage du premier câble à travers l'épaisseur de l'arbre creux (3). 5. Dispositif limiteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit second câble (15) passe à travers un frein unidirectionnel, qui bloque sa position après enroulement sur une longueur suffisante pour que le dispositif de mise en panne soit mis en service, et qu'un ressort (13) rappelle ladite pièce (11) en position de débrayage dès que l'hélice a ralenti en dessous dudit seuil de vitesse. 6. Dispositif limiteur selon la revendication 5, caractérisé par des moyens câble de manoeuvre 18) d'exercer une traction manuelle sur ledit second câble 7. Dispositif limiteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est associé à des moyens à commande manuelle agencés pour faire pénétrer un sabot de blocage t202) dans la structure de l'hélice après mise en drapeau de celle-ci par l'exercice d'une traction sur ledit second câble (15). 8. Dispositif limiteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit sabot (202) est manoeuvré par un bras oscillant (20) lui-même commandé par un câble (19) et muni d'un contrepoids de rappel (203). 9. Dispositif limiteur selon les revendications 4 et 7, caractérisé en ce que ledit sabot (202) est conformé de manière à s'emboîter au niveau du moyeu entre deux tubes à section carrée consécutifs. 10. Dispositif limiteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit arbre (3) est supporté, au moyen de paliers (4-5), par une plate-forme horizontale (6) fixée au sommet d'un mât tournant (9), que ledit palier fixe (121) et ledit frein (160-161) sont supportés par ladite plateforme, laquelle supporte également un multiplicateur (7) et un alternateur (8) couplés audit arbre (3). 11. Dispositif limiteur selon les revendications 6 et 10, caractérisé en ce que ledit câble de manoeuvre (18), ainsi que ledit troisième câble (19), descendent le long dudit mât (9), pour être actionnés depuis le sol au moyen d'un levier oscillant (17), lui-même supporté par ledit mat tournant et auquel il sont attachés. 12. Dispositif limiteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit levier oscillant (17), dans une première partie de sa course, actionne ledit câble de manoeu- vre (18) et, dans une seconde partie de sa course, actionne ledit troisième câble (19) de commande du bras oscillant, ledit câble de manoeuvre (18) étant relié audit levier 13. Dispositif limiteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit seuil de vitesse est imposé par la vitesse de rotation autorisée pour l'alternateur (8), compte tenu du coefficient de multiplication du multiplicateur (7). 14. Dispositif limiteur selon la revendication 10 ou 13, caractérisé en ce que l'alternateur (7) est d'un type non étanche et la plate-forme 66) est munie d'un capot étanche.