Brevet FR2589201A1 — publié le 19870430

"Eolienne à rotors contrarotatifs à réglage d'orientation des pales". L'invention concerne les éoliennes du type composé d'un support orientable autour d'un axe vertical, de deux rotors qui, montés libres en rotation sur ce support et autour d'un axe horizontal, sont chacun munis de plusieurs pales radiales orientables, et de moyens de détection de la vitesse, donc de la force du vent, agissant sur des moyens commandant l'orientation des pales. De façon connue, la modification de l'angle d'incidence des pales, par rotation autour de l'axe longitudinal de leurs pivots dans le rotor, permet d'adapter la surface soumise au vent de manière à obtenir une vitesse de rotation sensiblement constante, malgré les variations de la vitesse du vent. Traditionnellement, la régulation de la vitesse de rotation des rotors est assurée par des régulateurs centrifuges présentant une certaine inertie, donc un temps de réaction préjudiciable à la régulation.Par ailleurs, de tels régulateurs ne réagissent qu'au delà d'une certaine vitesse de rotation et sur une plage de vitesse courte, de sorte que, les éoliennes qui en sont munies, font l'objet d'une mauvaise régulation de vitesse pour les vents de faible vitesse et réagissent mal aux coups de vent, par exemple en donnant aux pales une position en drapeau conduisant à l'absence d'entrainement des rotors. I1 en résulte que le rendement énergétique est faible et qu'une partie substantielle de l'énergie éolienne est perdue. En pratique, l'inconvénient le plus important est l'irrégularité de la vitesse de l'arbre de sortie, puisque cette irrégularité empêche d'entrainer un alternateur exigeant - une vitesse de rotation sensiblement constante. L'invention a pour but de fournir une éolienne du type précité procurant, aussi bien pour des vents faibles que forts, et sous des sautes de vent, une vitesse de rotation sensiblement constante sur son arbre de sortie. A cet effet, dans cette éolienne, les rotors sont montés libres en rotation sur un fût tubulaire central, horizontal, solidaire du support, tandis que les moyens de détection de la vitesse du vent, sont constitués par une roue à ailettes inclinées disposées en amont du rotor amont, montée libre en rotation par rapport à ce dernier, et sont associés à des moyens qui, convertissant l'effort du vent sur les ailettes de la roue en déplacement longitudinal axial, sont en appui, en opposition à l'action de ressorts de rappel, contre une tige axiale montée coulissante dans le fût tubulaire et munie de doigts transversaux amont et aval coopérant avec des douilles commandant la rotation des pales des rotors respectivement, amont et aval. Avec cet agencement, toute modification de la vitesse du vent entraine un pivotement relatif de la roue à ailettes par rapport au rotor amont et la transformation de ce mouvement en mouvement longitudinal commandant la rotation des pales autour de leurs pivots pour leur donner un angle d'incidence favorisant la conservation de la vitesse de rotation des rotors malgré la variation de la vitesse du vent. Cette régulation s'effectue à toutes les vitesses et sans inertie. Dans une forme d'exécution de l'invention, les moyens convertissant l'effort du vent en déplacement longitudinal sont constitués par un ensemble vis/écrou à billes dont l'un des éléments est lié en rotation à l'arbre de la roue à ailettes et dont l'autre élément est lié en rotation au corps du rotor amont et est en appui sur la tige longitudinale de commande. Par le recours à un système vis/écrou à billes, l'effort exercé par le vent sur les ailettes de la roue de détection est fortement amplifié et est suffisant pour commander lui-même la régulation de la vitesse des rotors, même pour de faibles vitesses. Avantageusement, et dans le but d'absorber d'éventuelles variations de vitesse des rotors dues aux variations trop rapides de la vitesse du vent, le rotor amont est lié en rotation au rotor aval, lui-même lié en rotation, de façon connue, à l'arbre de sortie. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins schématiques annexés représentant à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cette éolienne. Figure 1 est une vue en perspective montrant à échelle réduite, l'ensemble de l'éolienne, Figure 2 en est une vue de côté en élévation montrant les inclinaisons différentes des pales, des rotors et de la roue à ailettes, Figure 3 est une vue en coupe longitudinale montrant à échelle réduite l'ensemble du mécanisme d'entrainement de l'arbre de sortie et du mécanisme de régulation. Comme montré aux figures 1 et 2, cette éolienne est composée d'un support (2) monté libre en rotation au sommet d'un poteau (3), autour d'un axe vertical (x'-x), et de deux rotors, respectivement amont (4) et aval (5), montés libres en rotation sur ce fût autour d'un axe sensiblement horizontal (y'-y). Le support (2) est associé à une dérive (1) orientant les rotors (4-5) face au vent. Chaque rotor supporte des pales respectivement (6-7) qui sont articulées autour de pivots (8), de manière à pouvoir adapter leur angle d'incidence à la vitesse du vent. La figure 2 montre que l'orientation des pales est différente sur les deux rotors (4-5) qui sont de type contrarotatifs. Cette différence d'orientation favorise l'alimentation des pales (7) du rotor aval (5) par les pales (6) du rotor amont (4). Selon l'invention, le rotor amont (4) est associé à une roue (10) à ailettes inclinées (12) de détection et de mesure de la force du vent. Comme montré plus en détails à la figure 3, cette roue (10), qui a la forme générale d'une casserole d'hélice, est solidaire d'un arbre (13) monté libre en rotation dans un palier (14) solidaire du corps (15) du rotor amont (4). L'arbre (13) est prolongé par une vis (16) se vissant dans un écrou à billes (17) solidaire d'une cage (18). Cette dernière est calée en rotation dans le palier (14) par une vis (19) s'engageant dans une rainure longitudinale (20). La cage (18) peut donc se déplacer axialement. Elle porte une butée à billes (21) dans laquelle est emmanchée l'extrémité d'une tige de commande (22). Cette tige de commande est montée coulissante longitudinalement dans l'alésage axial (23) d'un fût tubulaire central (24), solidaire du support (2) et prolongeant ce dernier.Le fût (24) est lié par des goussets (24a), au porte-satellite (51) lui-même fixé sur le support (2). Sur ce fût, qui est calé en rotation et en translation, sont montés libres en rotation respectivement, le corps (15) du rotor (4), le corps (25) du rotor (5) et des douilles de commande respectivement (26-27). Chacune de ces douilles comporte, débouchant de sa périphérie, une gorge circulaire pour des têtons (28) saillant, de manière excentrée, du pivot (8) de chaque pale. Chaque douille (26-27) prend appui, avec interposition d'une butée à billes (29), sur les extrémités de doigts de commande transversaux (30) solidaires de la tige (22) et traversant des lumières (32) du fût central (24). Chaque douille est associée à des ressorts derappel (33) interposés entre elles et le fond d'un logement (34) réalisé pour elle dans le corps (15-25) du rotor correspondant. Il est à noter que c'est uniquement pour faciliter la compréhension du mécanisme que les têtons (28) des pales (6-7) sont représentées dans la même position car, en pratique, ils sont disposés de part et d'autre du plan diamétral contenant les axes de rotation des pivots correspondants et décalés différemment pour tenir compte des angles d'incidence différents communiqués aux pales du rotor aval par rapport à celles du rotor amont. Les doigts de commande (30) sont plaqués sur les butées (29) des douilles (26) par des moyens à ressort qui, dans cette forme d'exécution, sont constitués par des rondelles Belleville opposées (35) intercalées entre l'extrémité amont du fût (24) et un écrou de réglage (36) vissé sur l'extremi- té de la tige de commande (22). Le rotor (4) est lié en rotation au rotor (5) par une transmission mécanique composée d'une douille (40) dentée intérieurement, de deux pignons satellites (42) engrennant avec cette douille et montés libres en rotation sur des arbres (43) portés par un porte-satellite (44), et d'une douille interne (45) munie d'une denture engrennant avec les pignons (42) et liés en rotation au corps du rotor (25). Le porte-satellite (44) est solidaire du fût central (24), c'est à dire est calé en rotation. Par cet agencement, l'énergie communiquée au corps du rotor (15) est transmise directement et uniquement au corps de rotor (25) avec une vitesse de rotation supérieure à la sienne, grâce à la multiplication procurée par cette transmission. Les moyens assurant la transmission du mouvement du rotor (5) à l'arbre de sortie (46) comprennent une douille (47) solidaire du corps du rotor (25) et dentée intérieurement, deux pignons satellites (48) montés libres en rotation sur des arbres (49) d'un porte-satellite (51) solidaire du corps (2) et un pignon de sortie (50) calé sur l'extrémité de l'arbre de sortie (46). La transmission mécanique multiplie, là aussi, la vitesse de rotation. Les différentes flèches indiquent les sens de rotation des rotors, des pignons satellites et de l'arbre de sortie. En fonctionnement, pour obtenir sur l'arbre de sortie, une vitesse de l'ordre de 3000 tours/minute nécessaires pour entrainer un alternateur, le rotor aval (5) doit tourner sur lui-même à une vitesse de l'ordre de 420 tours/minute tandis que le rotor amont doit tourner à une vitesse de l'ordre de 110 tours/minute.La régulation de cette vitesse de rotation est commandée par la roue (10) qui, en fonction de la vitesse et de l'effort du vent la sollicitant en premier, pivote plus ou moins par rapport au corps (15) du rotor (4) et par son écrou à billes (17) transforme ce différentiel de pivotement en différentiel de déplacement longitudinal de la cage (18). I1 en résulte que la cage comprime en plus ou moins, les ressorts (35), déplace longitudinalement la tige centrale (?2) et les doigts transversaux (30) provoquant le déplacement des douilles (26-27) et le pivotement des pivots (8) modifiant les angles d'incidence des pales (6-7). I1 est à noter que l'ensemble écrous-vis à billes (17-16) assure une multiplication très importante du couple fourni par la roue (10) et permet ainsi de commander la régulation, même pour de faibles vitesses. La figure 2 montre que les ailettes (12) sont inclinées dans le sens inverse de celui des pales (6) du rotor amont (4) de manière que la roue (10) tourne en sens inverse de ce rotor (4). Une telle éolienne peut, bien entendu, être utilisée pour entrainer tout autre organe qu'un alternateur tel que génératrice électrique fournissant du courant continu, pompe hydraulique,... Enfin, les moyens convertissant l'effort du vent en déplacement longitudinal de la tige axiale (22), moyens constitués dans cette forme d'exécution par l'ensemble vis-ecrou à billes, peuvent présenter toute autre structure et par exemple être constitués par des moyens hydrauliques du type capteur d'effort associé à un multiplicateur d'effort. REVENDICATIONS 1. Eolienne à birotors contrarotatifs à réglage d'orientation des pales du type composé d'un support (2), orientable autour d'un axe vertical, de deux rotors (4-5) qui, moniés libres en rotation sur le support (2) et autour d'un axe horizontal, sont chacun munis de plusieurs pales radiales (6-7) orientables, et de moyens de détection de la vitesse du vent agissant sur des moyens commandant l'orientation des pales caractérisée en ce que ces rotors (4-5) sont montés libres en rotation sur un 'fût tubulaire central horizontal (24), solidaire du support (2), tandis que les moyens de détection de la vitesse et de la force du vent sont constitués par une roue (10) à ailettes inclinées (12), disposée en amont du rotor amont (4), montée libre en rotation par rapport à ce dernier, et sont associés à des moyens (16-17-18) qui, convertissant l'effort du vent sur les ailettes (12) de la roue (10) en déplacement longitudinal, sont en appui, en opposition à l'action de ressorts de rappel (35), contre une tige axiale (22) montée coulissante dans le fût tubulaire (24) et munis de doigts transversaux (30), amont et aval, coopérant avec des douilles (26-27) commandant la rotation des pales amont (6) et aval (7). 2. Eolienne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens convertissant l'effort du vent en déplacement longitudinal sont constitués par un ensemble vis (16) écrou à billes (17) dont l'un des éléments est lié en rotation à l'arbre (13) de la roue (10) à ailettes et dont l'autre élément est lié en rotation au corps du rotor amont (4), mais avec possibilité de translation, et est en appui sur la tige longitudinale de commande (22). 3. Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisée en ce que chaque douille de commande (26-27) est munie d'une gorge circulaire de réception pour des tenons excentrés (28) saillants des pivots des pales (6-7), est montée libre en rotation et coulissante sur le fût tubulaire (24), vient en contact avec les extrémités traversant le fût (24) du doigt transversal de commande (30) correspondant, et est appliqué contre ces extrémités par des ressorts de rappel (33) interposés entre elles et le fond d'un logement (34)- ménagé dans le corps (15-25) du rotor correspondant. 4. Eolienne selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 3 caractérisée en ce que le rotor amont (4) est lié en rotation au rotor aval (5), lui-même lié en rotation à l'arbre de sortie (46). 5. Eolienne selon la revendication 4 caractérisée en ce que la liaison en rotation entre le corps (15) du rotor amont et le corps (25) du rotor aval, mais aussi entre le corps (25) du rotor aval et l'arbre de sortie (46), est assurée par des pignons satellites (42-48) engrennant avec des couronnes dentées (40-47) solidaires des corps des rotors correspondants, et avec, respectivement, une douille (45) solidaire du corps du rotor (25? et un pignon (50) solidaire de l'arbre de sortie (46), les pignons satellites (42-48) étant portés par des porte-satellites fixes (44-51) solidaires respectivement du fût tubulaire (24) et du support (2).