Brevet FR2574499A1 — publié le 19860613

Dispositif à volant pour emmagasiner de l'énergie cinétique. La présente invention se rapport à des dispositifs à volant utilisés pour emmagasiner de l'énergie cinétique et elle concerne, plus particulièrement, des volants constitués par un matériau filamenteux. On utilise des volants pour emmagasiner de l'énergie depuis un certain nombre d'années. Leur utilisation dans ce but était cependant limitée, en grande partie pour des raisons de coût. Les coûts associés à ce type d'emmagasinage de l'énergie sont en cours de réduction lente du fait de l'utilisation de matériaux et conceptions perfectionnés ; mais il faut encore des progrès considérables pour que l'emmagasinage au moyen de volants devienne viable commercialement. La quantité d'énergie emmagasinée dans un volant dépend de la masse du rotor du volant et du carré de la vitesse à laquelle la masse tourne. Du fait que la vitesse augmente avec la distance à axe de rotation, l'énergie emmagasinée dans une masse donnée augmente avec sa distance à l'axe de rotation. Par conséquent, pour une vitesse de rotation donnée quelconque, le plus efficace est de concenter la masse du rotor à la plus grande distance possible de l'axe de rotation. pour maximiser l'énergie emmagasinée. On a proposé, pour cette raison, des rotors de volants dans lesquels des jantes extérieures de rotors relativement lourdes sont reliées à un moyeu central par des rais (ou rayons) relativement légers. La dimension des volants est cependant, en général, limitée par des considérations d'encombrement. Pour emmagasiner la même quantité d'énergie qu'un grand volant, un petit volant doit tourner à une plus grande vitesse cela provoque des efforts plus grands dans le rotor du volant. Par conséquent, la quantité d'énergie pouvant être emmagasinée dans un volant est limitée par l'aptitude de la structure du volant à supporter les efforts considérables s'exerçant dans une masse tournant rapidement autour d'un axe. Un rotor de volant en rotation applique une force résultante à l'axe autour duquel il tourne Cette force résultante dépend du moment d'inertie du rotor et de sa vitesse angulaire. Du fait que toute masse en mouvement a tendance à se déplacer en ligne droite, plutôt que suivant un cercle centré sur un axe, la masse du rotor tendrait à se déplacer en ligne droite, sans la force centripète antagoniste transmise par l'intermédiaire des rais à la jante et dans la force de résistance de la structure de la jante elle-même. La force centripète maintient la jante du volant sur le moyeu. Du fait que la résultante du rotor du volant dépend de la vitesse de rotation et de la masse du rotor, il faut une force centripète plus importante pour maintenir la cohésion du rotor, lorsqu'on augmente la vitesse de rotation du rotor ou sa masse. Pendant l'accélération et la décélération du volant, des efforts supplémentaires sont engendrés dans un rotor de volant. Ces efforts, qui sont dûs à l'inertie et à la force vive relatives de la jante et du moyeu, peuvent faire sauter les rais du volant, qui subissent déjà des contraintes de la part de la force centripète. L'inaptitude des structures de volant à résister aux tensions physiques engendrées par ces forces a limité la dimension, la vitesse et l'utilisation des volants. En cherchant à résoudre ce problème, il a été conçu récemment des volants utilisant des matières filamenteuses pour cer taines parties du volant, pour profiter de leur forte ré- sistance à la traction, par rapport aux matières amorphes ou cristallines de densité élevée telles que l'acier coulé. Les fibres de verre, d'aramide et de carbone et les fils d'acier représentent certains des matériaux filamenteux envisagés pour les structures de volants. Ces matières de faible densité, qui présentent un rapport résistance/masse élevé, permettent d'augmenter la vitesse des volants, tout en réduisant leur risque de désintégration en raison des tensions engendrées par la rotation. Cependant, ces matières sont incapables de supporter des contraintes transversales importantes. En raison de cette limitation, entre autres, les structures de volants constituées par ces matières n'ont pas remporté un succès total et n'ont pas présenté des durées de vie suffisantes à des vitesses élevées. I1 existe donc un besoin pour un dispositif à volant constitué en une matière filamenteuse susceptible de supporter les tensions engendrées à des vitesses de rotation élevées. En conséquence, l'invention a pour objet un dispositif d'emmagasinage d'énergie à volant comprenant unejante en filaments de fibres enroulés et des rais en filaments de fibres flexibles. L'invention a également pour objet un dispositif d'emmagasinage de l'énergie à volant de ce type, imposant des forces de compression pures au moyeu, ce qui autorise des vitesses de rotation élevées. Ce volant permet des vitesses de rotation très élevées, sans probabilité de rupture due à la fatigue du matériau par l'utilisation de fibres monofilament pour la jante et les rais, et la disposition des fibres de façon à les soumettre à des forces de tension et à minimiser les forces de cisaillement. Les rais constitués en filaments de fibre sont fixés à un moyeu en deux pièces. Les moitiés de moyeu sont fixées chacune à un arbre central de façon à tourner en même temps que lui autour d'un axe, mais elles sont autorisées à se déplacer axialement le long de l'arbre entre des butées prédéterminées. De préférence, les moitiés de moyeu sont positionnées initialement par des ressorts, en dehors du plan perpendiculaire à l'arbre, défini par la jante. Pour réduire les tensions appliquées aux rais du volant au cours de l'accélération, de la décélération et de la rotation à grande vitesse, les moitiés de moyeu se rapprochent en glissant, en réaction aux tensions de rotation transmises par l'intermédiaire des rais, pour allonger effectivement les rais et réduire directement leurs tensions. Les tensions du moyeu et de la jante sont réduites indirectement par la réduction générale des tensions transmises dont la structure est le siège, qui en résultent. Dans un mode d'exécution préféré, le dispositif d'emmagasinage de l'énergie à volant comprend également une enceinte de logement. Cette enceinte de logement sert en premier lieu à contenir les débris de- volant et à dissiper l'énergie du volant emmagasiné, en cas de défaillance du rotor du volant. Dans ce but, l'enceinte de logement comprend un écran déflecteur et une matière chargée d'eau. Pendant la désintégration d'un rotor de volant, l'écran déflecteur oblige le rotor du volant à entrer en contact avec la matière chargée d'eau. Le frottement du volant en rotation fait passer.l'eau contenue dans la matière chargée d'eau à l'état de vapeur. L'énergie de rotation du volant est ainsi absorbée efficacement par conversion en énergie thermique. Une autre caractéristique du mode de réalisation préféré de l'invention consiste à utiliser l'arbre du rotor du volant en dispositif de pompage pour vider l'enceinte de logement du volant, et réduire ainsi le frottement de l'air sur le rotor du volant. Par conséquent, pendant la rotation du volant, de l'air est acheminé à travers l'arbre depuis l'intérieur de enceinte de logement à Itenvironne ment extérieur, ce qui vide la chambre. D'autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré non limitatif de celle-ci, avec référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue de côté, avec arrachement partiel, d'une jante de rotor de volant et d'une enceinte de logement la figure 2 est une vue en perspective du rotor du volant de la figure l ; la figure 3 est une vue en coupe de la jante et du moyeu du rotor du volant de la figure 2 la figure 4 est une vue en plan de la jante du rotor du volant de la figure 2 où le moyeu, l'arbre et la totalité des rayons, à l'exception d'une petite partie, ont été supprimés la figure 5 est une vue agrandie d'une section de la jante et du moyeu du volant ;; la figure 6 est une vue en coupe d'un moyeu de volant la figure 7 est une vue axonométrique d'un arbre de volant, avec arrachement partiel la figure 8 est une coupe transversale de l'arbre du volant de la figure 7, suivant la ligne 8-8 ; et la figure 9 est une vue axonométrique d'une variante de l'arbre du volant représenté sur les figures 7 et 8. On a représenté, sur la figure 1, un dispositif d'emmagasinage de l'énergie à volant 10, dans lequel une enceinte de logement de volant 20 contient un rotor de volant 30. Le rotor 30 est relié; par l'intermédiaire d'un arbre 28, à la fois à une source d'énergie de rotation et à un dispositif d'exploitation de l'énergie, tel qu'un moteur électrique (non représenté) et un générateur (non représenté, non plus) Le moteur électrique est utilisé pour faire tourner le volant, lorsque le système est relié à une source d'énergie extérieure La quantité de mouvement du volant est ainsi utilisée pour emmagasinage de l'énergie. Lorsqu'on a besoin de l'énergie emmagasinée, le générateur reconvertit l'énergie emmagasinée en énergie électrique. L'énergie est emmagasinée dans le rotor du volant, qui comprend une jante de rotor 32, des rayons ou rais 22 et des moyeux 24, 26. La jante 32 est reliée aux moyeux 24 et 26 par les rais 22. Les moyeux 24, 26 du rotor sont montés sur un arbre 28 de façon à tourner en même temps que lui, mais ils peuvent glisser axialement le long de l'arbre entre des positions préétablies. Pendant la rotation du volant, les moyeux-24 et 26 sont libres de se rapprocher pour allonger effectivement les rais 22 et réduire leurs tensions dues à l'accélération, la décélération et la force centripète engendrée par la rotation, du rotor du volant. L'allongement des rais empêche également les rais d'appliquer des contraintes transversales destructrices à la jante, en leurs points de fixation. Cela augmente la capacité d'emmagasinage de l'énergie et la durée d'utilisation du dispositif à volant 10. La jante du rotor et son procédé de fixation aux moyeux 24 et 26 sont plus particulièrement indiqués sur les figures 2 à 5. La jante 32 est constituée surtout par des fibres monofilament 56. Les fibres sont enroulées suivant une forme circulaire à partir d'une seule fibre ou d'un faisceau et elles peuvent être enroulées en n'importe quelle section droite désirée. Les fibres sont orientées circon férentiellement à l'intérieur de la jante, pour profiter de la forte résistance à la traction du matériau. Cette orientation utilise au mieux la résistance de la matière fibreuse, du fait que les contraintes les plus fortes qui apparaissent dans la jante pendant la rotation sont orientées de façon analogue. La jante 32 a une section droite ovoïde, l'extrémité obtuse se trouvant à la périphérie extérieure de la jante. La section intérieure 58 de la jante peut être constituée par une matière plus lourde que les fibres, pour augmenter la masse totale de la jante et augmenter ainsi sa capacité d'emmagasinage de l'énergie. La section intérieure 58, ou ballast, est constituée, en conséquence, par du plomb ou un autre métal dense. Le poids du ballast doit être soigneusement ajusté, cependant, pour ne pas engendrer des tensions excessives sur les fibres constituant la plus grande partie de la jante, au cours du fonctionnement du rotor. La périphérie intérieure de la jante comporte des cavités 60 dirigées vers l'intérieur (figure 4) qui sont utilisées pour l'équilibrage dynamique de la jante du volant, avant le montage final. On réalis-e l'équilibrage dynamique par l'insertion sélective de poids dans les cavités 60. La jante est recouverte dans sa totalité par une peau élastique 62 ajustée étroitement. Cette peau est constituée par une matière élastique de résistance à la traction relativement élevée, telle que du caoutchouc silicone, qui contribue à maintenir la cohésion des fibres de la jante et constitue une interface relativement molle entre la jante et les rais. La même matière de résistance à la traction élevée est également interposée entre le ballast et la portion fibreuse de la jante, pour former une surface élastique lisse 63 entre eux. Les interfaces molles formées entre les éléments de jante minimisent les efforts transversaux exercés sur les filaments de fibre au niveau de ces interfaces. Chacun des rais 22 s'enroule autour de la jante 32 du rotor et entoure partiellement une moitié de moyeu 24, 26, avant de revenir à la jante. Les rais alternent entre la moitié de moyeu inférieure 26 et la moitié de moyeu supérieure 24, d'une façon centrant axialement la jante à égale distance entre les moitiés 24, 26 du moyeu. Un seul filament de fibre est utilisé pour entourer chacun des rais, et cela augmente fortement la résistance des rais, en supprimant la nécessité de lier les filaments. Le nombre de rais peut varier selon la résistance nécessaire des- rais, déterminée par le diamètre de la jante et la vitesse maximale du volant. Les fibres qui forment les rais 22 sont orientées, suivant leurs axes longitudinaux, vers le centre de rotation du volant, de façon à coïncider avec la direction des forces centripètes exercées par les rais. Des rainures 72, figure 5, formées sur les moyeux du volant, constituent des sièges pour les rais. Les rainures sont disposées, et leur profondeur variable calculée, de façon à empêcher le contact physique des rais, qui entraînerait une pression transversale fâcheuse exercée sur les fibres, aux emplacements de croisement des rais. Du fait que les rais sont constitués par une matière flexible, un certain déplacement angulaire relatif est possible entre la jante et les moyeux pendant l'accélération et la décélération. Cela permet aux rais de s'insérer ou de se dégager légèrement des rainures du moyeu pendant les périodes d'accélération et de décélération. L'aptitude à s'insérer dans le moyeu et à s'en dégager diminue la déformation des rais en réaction à la rotation différentielle de la jante et des moitiés du moyeu. Le moyeu est représenté en détail sur la figure 6. Bien que chaque moitié de moyeu 24, 26 puisse glisser le long de l'axe longitudinal de l'arbre central 28, les moitiés de moyeu sont positionnées sur l'arbre 28 par une section de clavetage 78 du moyeu et une section de clavetage 79 d'arbre, de façon qu'il ne puisse se produire de mouvement de rotation relatif entre ces moitiés et l'arbre. Les moitiés de moyeu 24 et 26 sont suspendues élastiquement en opposition mutuelle et, au repos, elles sont positionnées en dehors du plan défini par le rotor 30 du volant et perpendiculaires à l'arbre 28. Chacun des moyeux identiques comporte une cavité interne 64 contenant une pièce d'écartement de ressorts 70 et deux ressorts 66 et 68. Ces ressorts réagissent contre la paroi postérieure 65 de la cavité et un écrou 84 de l'arbre, pour appliquer une force qui écarte les moyeux du plan de la jante du volant. Lorsque le rotor du volant accélère ou ralentit, de légères différences de vitesse de rotation sont produites entre la jante et les moyeux, en raison de l'inertie de la jante. Cette légère rotation relative de la jante et du moyeu entraînerait des tensions très fortes dans les rais, sans l'action due au moyeu divisé. Les moyeux sont entraînés par les rais vers l'écrou 84 en réaction à la rotation différentielle du moyeu et de la jante. Ce mouvement des moyeux joue le rôle d'un amortisseur et donne aux rais une longueur plus efficace en réduisant l'angle entre les rais et le plan de la jante. Le mouvement du moyeu réduit ainsi la contrainte des rais qui pourrait sinon allonger les rais au-delà de leur limite de cisaillement et réduire ainsi l'espérance de vie du volant.Toute rotation relative entre les moyeux et la jante est ainsi compensée par la flexibilité des rais et par le déplacement axial des moyeux. Il y a lieu de noter que les jantes du volant ont tendance à s'agrandir à des vitesses de rotation élevées et que, par conséquent, les rais de ce dispositif sont également allongés effectivement lorsque le diamètre de la jante augmente, pour empêcher la séparation de la jante. Lorsque les rais sont tirés vers l'extérieur par l'agrandissement de la jante, les moyeux se rapprochent en allongeant les rais et en réduisant les tensions des rais. La force élastique engendrée par la compression des ressorts 66 et 68 ramène les moyeux dans leur position initiale, lorsque le volant cesse de tourner. On utilise, de préférence, des matières légères pour réaliser les moyeux, afin de réduire le poids du volant dans la portion centrale du moteur relativement inefficace (pour emmagasiner de l'énergie). La raison pour laquelle on peut réaliser les moyeux avec sécurité dans une matière relativement légère, comme l'aluminium, consiste en ce que les seules forces transmises par les rais aux moyeux de ce dispositif sont des forces de compression, et non de tension. En conséquence, la conception de la fixation du moyeu et des rais évite de s'appuyer sur une structure de moyeu limitée par la résistance à la traction ou au cisaillement de la matière du moyeu. L'arbre 28 du volant est réalisé en deux pièces 80 et 82 qui sont maintenues ensemble par l'écrou 84 de l'arbre et une extrémité mâle 85. L'évacuation de la chambre de logement 20, figure 1, permet au volant de fonctionner relativement à l'abri du frottement de l'air. ce;qui réduit la friction dynamique exercée sur le volant (ou trainée). Pour conserver une faible pression d'air dans la chambre 20, l'arbre 28 du rotor du volant est protégé contre les fuites d'air par des joints étanches à la pression 34 et 36, qui peuvent être magnétiques, figure l, à sa jonction avec l'enceinte de logement. Les figures 7 et 8 représentent deux façons dont on peut conformer l'arbre pour évacuer l'air de l'enceinte de logement, ce qui évite d'avoir à utiliser une pompe à vide extérieure. L'arbre comprend un élément structural intérieur 86 et une gaine extérieure 88. Une excavation de prise d'air 90 est formée dans la gaine extérieure 88 sur une portion de l'arbre à l'intérieur de l'enceinte de logement. De l'air pénètre dans la cavité de l'arbre par la prise d'air 90 et est accéléré à l'extérieur d'une sortie d'air 92 par un trajet d'air 94 formé sur l'élément intérieur 86. La sortie d'air 92 est placée sur une portion de l'arbre à l'extérieur de l'enceinte de logement. Le trajet d'air hélicoïdal 94 a une section droite dont l'aire diminue progressivement de sa section maximale à l'ouverture de la prise d'air 90 à sa section la plus faible à la sortie 92 du trajet d'air. Cette section décroissante provoque la compression de l'air à mesure qu'il se rapproche de la sortie du trajet d'air, de sorte que la pression d'air à la sortie est supérieure à la pression d'air environnante. De ce fait, l'air est expulsé de l'arbre à la sortie 92, tandis que la pression d'air à l'entrée 90 est réduite de telle façon que de l'air est évacué de l'enceinte de logement. La sortie d'air 92 peut aussi comporter un clapet à air automatique (non représenté) pour empêcher l'air de revenir de l'orifice de sortie à l'intérieur de l'enceinte, lorsque la rotation du volant ralentit.S'il faut une augmentation du pompage de l'air, il est possible de prévoir deux trajets d'air hélicoïdaux ou plus en parallèle sur la longueur de l'arbre, de prises d'air multiples à des sorties d'air multiples. Selon une variante de l'invention, représentée sur la figure 9, une pluralité d'ailettes de ventilation 95 inclinées de façon à jouer le rôle de lames de ventilation, sont situées à l'intérieur d'un arbre creux 100, près d'une sortie 109. Un passage d'air 103 est formé entre les ailettes et une prise d'air 105 placée à l'intérieur de l'enceinte 20 de logement du volant. Les ailettes tournent pendant que l'arbre tourne et évacuent de l'air hors de l'enceinte de logement. L'enceinte de logement du volant constitue également un dispositif de sécurité pour retenir les débris de volant et dissiper l'énergie du volant, si le volant se désintègre pendant la rotation. La défaillance des volants est, en général, due à la fatigue de la structure de la jante et des rais, due à un cycle de fonctionnement intense, ou à l'agrandissement plastique progressif de la jante. En conséquence, l'enceinte 20 de logement du volant est conformée de façon à détourner une jante de volant qui se désintègre vers une matière chargée d'eau. Dans ce but, la structure 38 de l'enceinte de logement, figure I, et un anneau déflecteur 48 voisin du plan du rotor 32, sont constitués par une matière dure, comme l'acier.La surface intérieure 50 de l'anneau déflecteur 48 comporte des nervures ou des convolutions, ou bien présente une autre texture abrasive, de sorte que lorsque la jante 32 s'agrandit ou n'est plus concentrique, elle touche l'anneau déflecteur et commence à subir l'abrasion. En raison de cette abrasion, la jante se déforme en une masse plastique molle informe de fibres, qui est projetée le long de l'anneau déflecteur, sans nécessairement se fragmenter. Cela est souhaitable, car cela évite la formation de fragments durs qui se comportent comme des projectiles dangereux. De tels fragments, et les risques qui en résultent, sont partagés avec la rupture des volants dont la jante est constituée par une matière coulée, comme l'acier, ou mêmepar une masse de fibres liées par un agent tel qu'une matière époxy. La structure 38 de l'enceinte de logement et l'anneau déflecteur 48 ont tendance, en combinaison, à faire descendre une jante qui se désintègre dans un écran de protection 52 chargé d'eau. L'écran de protection 52 chargé d'eau a une structure nid d'abeilles (structure alvéolaires) qui retient une quantité d'eau importante. L'écran chargé d'eau 52 peut être constitué par un gel semi-solide ou un polyester imbibé d'eau. Les polyesters imbibés d'eau ont une consistance analogue à celle du plâtre, mais ils contiennent jusqu'à 75 % d'eau non liée chimiquement. L'eau provenant de l'écran de protection est libérée, lorsqu'il est percé par la jante de volant 32 qui se désintègre. Le frottement produit par l'interaction du volant qui se désintègre et l'enceinte de logement et l'écran de protection transforme l'énergie de rotation du volant en chaleur, ce qui augmente la température de l'eau et la fait passer à l'état de vapeur. La transformation de l'eau en vapeur absorbe une énergie considérable et dissipe donc l'énergie de rotation emmagasinée du rotor de volant qui se désintègre, tout en empêchant la matière constituant le volant de s'enflammer pendant la désintégration. La vapeur produite par la matière de protection chargée d'eau a tendance à remplir l'enceinte de logement et à établir une pression qui entraîne encore un ralentissement du rotor. Tandis que la pression intérieure de l'enceinte continue à augmenter, une soupape de décharge 54 s'ouvre et laisse sortir la vapeur dans l'atmosphère sans danger. Si nécessaire, la vapeur peut être évacuée du volant par des tuyaux. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précédente et au dessin annexé de nombreuses modifications de détails sans pour cela sortir de l'invention. REVENDICATIONS 1. -Dispositif à volant pour l'emmagasinage d'énergie cinétique, caractérisé en ce qu'il comporte un rotor (30) comprenant un arbre (28) pouvant tourner autour d'un axe, un moyeu (24, 26) en plusieurs pinces placé sur l'arbre (28) de façon à tourner en même temps que lui et des rayons ou rais (22) en filaments de fibre enroulés autour du moyeu et d'une jante (32), de telle façon que les rais de filaments maintiennent la jante concentrique par rapport à l'arbre et qua la jante définisse, de façon générale, un plan perpendiculaire à cet axe, en ce que le moyeu en plusieurs pièces comprend un élément placé de chaque côté dudit pan et susceptible de glisser axialement le long de l'arbre pour allonger de façon appropriée les rais pendant la rotation du volant pour réduire les tensions engendrées dans les rais. 2. Volant selon la revendication l, caractérisé en ce que la jante comprend en outre une enveloppe élastique (62) pour maintenir l'intégrité de sa structure et constituer une interface molle entre la jante et les rais. 3. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rais peuvent entourer et être dégagés partiellement des éléments du moyeu pendant l'accélération et la décélération du volant. 4. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rais alternent séquentiellement entre les éléments du moyeu. 5. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jante comprend, en outre, un ballastre (58). 6. Volant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ballast est placé près de la périphérie intérieure de la jante. 7. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une enceinte (38) de logement dudit volant, ladite enceinte comprenant une matière chargée d'eau (52) pour absorber l'énergie du volant pendant sa désintégration. 8. Volant selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enceinte de logement comporte une surface abrasive. 9. Volant selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'arbre comprend en outre des moyens de pompage de l'air (51) pour évacuer l'enceinte pendant la rotation du volant. 10. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments du moyeu comprennent, en outre, des rainures qui constituent des logements pour les rais. 11. Volant selon la revendication 10, caractérisé en ce que les rainures ont des profondeurs différentes pour réduire les contraintes de cisaillement. 12. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que des ressorts tendent à éloigner les éléments du moyeu dudit plan. 13. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jante est en fibre. 14. Volant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ballast comprend des moyens pour recevoir des poids d'équilibrage.