Brevet FR2552168A1 — publié le 19850322

Pompe rotative à hélice monopale à pas variable L'invention concerne les pompes rotatives à hélice à couple de démarrage progressif destinées à être entraînées par des éoliennes dites à pales rapides pour l'arrosage ou l'asséchement des marais à profondeur maximum de l'ordre de 2,50 mètres. On ne connait pas actuellement de pompes qui soient adaptées aux éoliennes à pales rapides. L'énergie éolienne pour le pompage de l'eau est très ancienne, c'est même une des formes les plus connues et les plus répandues de récupération de l'énergie contenue dans le vent. La puissance utilisable du vent croît au cube de sa vitesse, de même que théoriquement le rendement des pompes croît également avec le cube de la vitesse de leur cycle.La mise en oeuvre d'un moteur éolien soumis au vent a lieu en trois phases principales: 1 - l'ébranlement de la machine, pour lequel, en dehors de la qualité du profil des pales et de leur angle d'attaque, il est évident que la surface de l'ensemble des pales par rapport à l'inertie de la masse qui doit être mise en mouvement est un facteur primordial; 2 - la prise de vitesse: pour un même moteur éolien, moins il y aura de travail à fournir, plus la prise de vitesse sera rapide, car si le travail demandé est trop important, l'accrochage ne sera pas atteint; 3 - l'accrochage: il correspond à une prise de vitesse suffisante, vitesse en dessous de laquelle une trop faible partie de l'air en déplace- ment est utilisée pour que le moteur ait un rendement correspondant à la vitesse du vent. On classe habituellement les éoliennes en deux catégories: elles sont dites lentes lorsque leur vitesse en bout de pale est proche de la vitesse du vent, et rapides lorsque cette vitesse devient un multiple de celle du vent. Les éolienne multipales lentes ont un rendement médiocre de l'ordre de 20% de la limite de Betz en raison du nombre important de pales qui multiplient la trainée aérodynamique, ainsi que de la qualité du profil qui ne peut être aussi soigné que pour une bipale pour des raisons évidentes de prix de revient. Leur avantage incontestable est de démarrer et de s'accrocher par vents faibles en étant en charge.Les éoliennes rapides, à quatre pales maximum, dont le rendement est excellent, de l'ordre de 60% de la limite de Betz, ont bénéficié dans le domaine des aérogénérateurs, de nombreuses améliorations du fait des recherches internationales, mais elles ne démarrent pas ou ne s'accrochent/à vent faible si elles sont en charge. Dans le fonctionnement en aérogénérateur, il est facile de ne leur demander aucun effort jusqu'à ce que l'accrochage soit obtenu, les moyens électro-mécaniques, électriques ou électroniques sont nombreux et d'un coût très abordable. Pour toutes ces raisons, il est habituellement considéré que les éoliennes rapides ne sont pas adaptées au pompage. La pompe selon l'invention a pour objet de permettre d'effectuer le pompage notamment avec des éoliennes à pales rapides à couple de démarrage nul. Telle qu'elle est décrite dans le texte qui suit, la pompe selon l'invention résoud le problème du démarrage sans charge des éoliennes à pales rapides utilisées pour le pompage en asservissant automatiquement, d'une façon extrêmement simple, la mise en charge progressive de la pompe à la prise de vitesse de l'éolienne. La pompe comporte une hélice monopale à pas rendu variable par flexion de ladite hélice en fonction de la vitesse et de la charge, ladite hélice est rendue solidaire d'un arbre central tournant dans des paliers d'un corps de pompe et accouplé à l'arbre moteur vertical de l'éolienne. Ladite hélice est un disque en acier à ressort comportant un trou central et une fente radiale dont l'un des deux bords est fixé sur un support disposé dans l'arbre central, le second bord étant en appui inférieur sur ledit support et se déformant élastiquement sous le poids de l'eau au fur et à mesure de l'accroissement de la vitesse de rotation. Une butée réglable limite la déformation de l'hélice et un ressort réglable permet de modifier le seuil de début de mise en charge de la pompe. Les avantages de la pompe selon l'invention sont les suivants: - permettre l'utilisation des éoliennes à pales rapides pour le pompage; - rendement élevé du pompage avec de telles éoliennes; - accroissement important du débit de pompage; - réduction du coût de l'ensemble de pompage à capacité égale. L'invention est décrite plus en détails dans le texte qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la fig.1 montre, vue en coupe, une pompe suivant l'invention; - la fig.2 montre une coupe suivant A de la fig.1; - la fig.3 montre une coupe suivant B de la fig.l. Telle qu'elle est représentée en coupe sur la fig.l, la pompe comporte un corps constitué par un flasque supérieur X muni de trois bras équidistants 2 de faible épaisseur reliés à une partie centrale 3 alésée pour recevoir un roulement à billes 4 et des joint d'étanchéité 5, un flasque inférieur 6 similaire au flasque I supportant un roulement à billes 7, un tube 8 engagé à ses extrémités sur les flasques 1,6, et assemblé par des tiges filetées 9 et des écrous 10. Un tube supérieur 11 sur le flasque supérieur comporte l'orifice de sortie de l'eau (non représenté). A la base du corps de pompe, on a représenté un tube 12 sur le côté droit de la coupe, et en variante une entrée divergente 13 fixée sur le flasque inférieur 6. Les parties centrales 3 du flasque supérieur et 14 du flasque inférieur supportent un arbre central 15 tournant dans des roulements 4,7, accouplé à sa partie supérieure sur l'arbre moteur 16 de l'éolienne par un accouplement 17. A la partie inférieure dudit arbre 15, on a monté un nez 18 faisant fonction d'écrou d'assemblage du roulement inférieur 7. Une hélice monopale 20,constituée d'un disque en acier à ressort,engagée avec un léger jeu sur l'arbre central 15 et dans l'alésage du tube 8, est immobilisée sur ledit arbre au moyen d'un axe 21 disposé perpendiculairement à l'axe vertical XX' dans un alésage épaulé en 22 dudit arbre 15. Ledit axe 21 se prolonge, à l'extérieur de l'arbre 15, jusqu'à l'alésage du tube 8 sous forme d'un profil 23 montré en coupe sur la fig.2 et en vue de dessus sur la fig.3; il comporte une rainure dans laquelle est engagé l'un des deux bords 24 de l'hélice 20, lequel est immobilisé par des rivets 25. Le second bord 26 de l'hélice est usiné en biseau pour offrir l'épaisseur la plus réduite possible à l'appui élastique sous le support 23 de ladite hélice en laissant subsister une arête 27 ménageant un espace 28 avec le support 23 pour faciliter son décollement par l'écoulement de l'eau, flèche 29, assisté par le poids de cette eau se trouvant au dessus de l'hélice, flèches 30. La flèche 31 montre le sens de rotation. On a usiné des trous 32 d'équilibrage de l'arbre 15 avec le support 23. Pour limiter la flexion de l'hélice 20 (fig.1) on a prévu une bague 33 vissée sur un filetage de la partie inférieure de l'arbre 15 sur laquelle vient s'appuyer l'hélice 20 représentée en traits mixtes en fin de flexion au pas maximal. La bague 33 comporte un alésage épaulé 34 dans lequel est logé un ressort de compression permettant de régler le seuil de mise en charge de la pompe. Cette pompe fonctionne de la façon suivante: Lorsque l'éolienne commence à tourner à faible vitesse, l'hélice tourne à vide et n'offre pas d'effort résistant, ce qui permet à l'éolienne de prendre de la vitesse. Lorsque le seuil de vitesse d'accrochage de l'éolienne est atteint, les filets d'eau décollent la partie en biseau du bord 26 de l'hélice et la pompe commence à débiter faiblement. Au fur et à mesure que la vitesse s'accroît, le poids de l'eau fait fléchir davantage le bord 26 de l'hélice ce qui accroît le pas et le débit jusqu'à ce que ladite hélice arrive, en butée sur la bague de réglage 33, au débit maximum qui est réglé en fonction du régime moyen des vents sur le site d'installation de l'ensemble de pompage. On peut prévoir une section d'hélice d'épaisseur croissante du trou central vers la périphérie. Le bord s'engageant dans la rainure du support peut être usiné parallèle sur la longueur de la rainure pour faciliter le montage. Lorsque l'on ne veut pas de réglage de seuil de mise en charge de la pompe, on prévoit un simple épaulement sur l'arbre 15 pour faire office de butée définissant le pas maximal de l'hélice. On peut cependant appuyer un ressort sur ledit épaulement, ledit ressort faisant butée à spires jointives limitant le pas de ladite hélice. L'axe 21 supportant l'hélice est mis en place du côté épaulé en faisant fléchir l'hélice avant la mise en place de la bague 33. L'épaulement 22 évite de créer un effort parasite sur l'hélice sous l'effet de la force centrifuge qui tend à faire frotter l'hélice sur l'alésage du tube 8 du corps de pompe. REVENDICATIONS: 1 - Pompe rotative à hélice monopale à pas variable destinée à permettre l'utilisation des éoliennes rapides pour le pompage à faible profondeur, comportant un corps de pompe, un arbre d'hélice avec ses paliers, un accouplement dudit arbre d'hélice sur l'arbre moteur de l'éolienne, caractérisée en ce que l'hélice (20) est constituée par un disque en acier à ressort comportant un trou central de centrage sur l'arbre d'hélice (15), une fente radiale de tres faible largeur, et en ce que ledit disque est assujetti à l'arbre central par un moyen support (21) fixé sur un bord (24) de la fente radiale, le second bord (26) de ladite fente se déformant élastiquement sur toute la longueur de ladite hélice pour assurer la fonction de variation de pas suivant la vitesse de rotation. 2 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que le support (21) de l'hélice fixé sur le bord (24) de la fente comporte un axe engagé dans un alésage de l'arbre de l'hélice (15) perpendiculairement à l'axe vertical XX', ledit axe support se prolongeant à l'extérieur dudit arbre d'hélice (15) par un profil de forme comportant une rainure dans laquelle est engagé un bord (24) de l'hélice, et en-ce que l'hélice est fixée sur ledit profil de forme par des vis ou rivets (25), et en ce que le second bord (26) de la fente est appuyé sur la face inférieure arrière du profil support (23), et en ce que ledit support (21) de l'hélice est épaulé du côté opposé à la fixation de ladite hélice, ledit épaulement (22) coopère avec un épaulement correspondant usiné sur l'arbre (15). 3 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que l'hélice est de section croîssante du trou central vers la périphérie et en ce que le bord de ladite hélice est usiné parallèlement pour s'ajuster dans la rainure du support (23). 4 - Pompe selon 1 et 2, caractérisée en ce que le bord libre (26) de ladite hélice s'appuyant sur la partie inférieure du profil (23) est usiné en biseau. 5 - Pompe selon 1,2 et 3, caractérisée en ce qu'une butée fixe,solidaire de l'arbre central, limite l'extension automatique sous charge du pas variable de l'hélice. 6 - Pompe selon 1,2 et 3, caractérisée en ce qu'une butée réglable limite l'extension automatique sous charge du pas de l'hélice. 7 - Pompe selon l'une quelconque des revendications 1,2,5 et 6, caractérisée en ce que le seuil de mise en charge de la pompe par flexion de l'hélice est rendu réglable au moyen d'un ressort de compression.