Brevet FR2604753A1 — publié le 19880408

DISPOSITIF DE LIAISON DU ROTOR AU MULTIPLICATEUR D'UN AERO GENERATEUR, ET AERO-GENERATEUR QUI EN EST EQUIPE. L'invention concerne un dispositif assurant la liaison du rotor au multiplicateur d'un aéro-générateur. Elle concerne également tout aéro-générateur qui en est équipé. Les aéro énérateurs prennent de plus en plus dtimportance dans la conjoncture économique actuelle où l'on est à la recherche de nouvelles sources d'énergie non polluantes, constamment renouvelables et d'un coût aussi bas que possible. il existe déjà des parcs regroupant un grand nombre d'aéro-générateurs branchés sur le réseau électrique. De nombreux problèmes malheureusement se posent au niveau de la conception et de la réalisation de tels aéroiénérateurs, destinés à être fabriqués en série, qui doivent présenter un excellent rendement avec une fiabilité maximale. L'aéro-générateur concerné par la présente invention est du type dit à axe horizontal. Celui-ci est relié à un multiplicateur, lui-même relié à une génératrice. L'un des problèmes rencontrés dans la conception et la réalisation d'un aérogénérateur de ce type se situe au niveau de la liaison entre le rotor portant les pales et le multiplicateur. En effet, le multiplicateur est la pièce présentant la plus grande fragilité de fonctionnement et il est donc impératif de veiller à la séparation des efforts et à leur passage dans les parties les moins fragiles de ce composant. Un autre problème réside dans la difficulté de coupler et de découpler fréquemment une chaine cinématique en mouvement sur un réseau présentant une inertie infinie. n convient donc de trouver une combinaison de moyens qui permet d'effectuer cette opération de la façon la plus souple possible, ceci afin de préserver la fiabilité maximale de toute la cinématique de la machine. La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes et concerne une nouvelle architecture des moyens mis en oeuvre dans un aéro-générateur, architecture qui conduit à l'obtention d'une éolienne fiable, résistante, souple dans son fonctionnement. Elle concerne donc un dispositif de liaison de l'hélice au multiplicateur tel que les engrenages de celui-ci travaillent dans des conditions optimales et que le couplage et le découplage de la machine au réseau puissent s'effectuer fréquemment et sans difficulté. L'invention concerne plus précisément un dispositif de liaison du rotor au multiplicateur d'un aéro-générateur; caractérisé en ce qutil comporte la combinaison d'une fusée (4) rendue solidaire du multiplicateur (200), fusée supportant, grâce à deux roulements (10) et (13), le moyeu (1) du rotor portant les pales (6), le couplage et le découplage de l'arbre (5) du multiplicateur (200) étant assurés grâce à une roue libre (3) dont le moyeu (33) est rendu solidaire à la fois du bout d'arbre (5) et du moyeu (1). L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - les figures 1 à 5 illustrent schématiquement la combinaison des moyens constituant le dispositif selon l'invention; - la figure 6 illustre un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention équipant un aéro-générateur; il s'agit d'une coupe brisée selon l'axe de deux pales situées à 1200. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références sur toutes les figures. Selon une première caractéristique de l'invention et comme le montrent les figures 1 à 5, le montage du rotor (R) est réalisé par l'intermédiaire d'une fusée (4), ce qui permet de passer tous les efforts autres que le couple dans des éléments rigides par l'intermédiaire de liaison fiable. Cela permet également de ne passer que le couple dans les organes mobiles du multiplicateur (200) par l'intermédiaire de l'arbre (5). Le montage et le démontage du rotor dont le moyeu (1) porte les pales (6), sont alors simplifiés sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des ajustements mécaniques avec, de plus, un autopositionnement de la fusée (4) par rapport à l'arbre (5) du multiplicateur (200). Il convient de rappeler que, dans l'art connu, on utilise généralement des paliers pour supporter l'arbre à l'extrémité duquel est accroché le rotor avec tous les risques de porte-à-faux que cela engendre. Ces risques sont supprimés dans le montage par fusée selon l'invention. Cette fusée (5) est rendue solidaire de son support (101) soit par un boulonnage latérale, symbolisé sur la figure 2 par un pointillé référencé (102), soit par un épaulement (103) bt un boulonnage axiale (104) comme cela est représenté sur la figure 3. En fait, cette seconde variante est préférée et est également illustrée sur la figure 1 et, dans une réalisation pratique, sur la figure 6. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'accrochage de la fusée (4) se fait par des moyens (103), (104) reliant directement cette fusée (4) au carter (101) du multiplicateur (200) qui lui sert de support. Cette solution facilite le montage car elle supprime la recherche de la position de la fusée (4) par rapport à l'arbre (5) comme ce serait le cas si cet accrochage se faisait sur le châssis de la machine, et ceci au moyen d'une pièce intermédiaire ne faisant pas partie intégrante dudit multiplicateur (200). On obtient ainsi, grâce à l'invention, un autoalignement de toute la chaîne cinématique. La fusée (4) ainsi conçue et dimensionnée présente un grand nombre d'avantages. En effet, une seule pièce permet de répondre à la nécessité de séparer les efforts, comme cela a été dit précédemment. il en résulte, outre une grande facilité de réalisation, l'obtention d'une machine compacte à rendement optimal. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, une roue libre (3) est introduite dans la chaîne cinématique de Vaéroiénérateur, objet de l'invention. Sa fonction est d'assurer et de contrôler la transmission à l'arbre des forces aérodynamiques. Elle permet de résoudre les difficultés que l'on rencontre à effectuer fréquemment le couplage et le découplage de la machine au réseau. Elle permet également de ne plus tenir compte des couples de démarrage de la chaque cinématique dans l'optimisation aérodynamique. Cette roue libre (3) est donc solidaire du moyeu (1) lié en aval au multiplicateur, grâce à des moyens de solidarisation (114) et à l'arbre (5), par l'intermédiaire de moyens élastiques (30).Des roulements adaptés (visibles sur la figure 6) permettent la rotation du moyeu (1) du rotor (R) autour de la fusée (4) et Pentraînement, via la roue libre (3), de l'arbre (5). Le fonctionnement du dispositif tel qu'il vient d'être décrit est expliqué cidessous. Le rotor (R) étant arrêté, la génératrice (300) démarre en moteur avec un appel de courant minimisé grâce à des résistances statoriques; elle atteint sa vitesse moteur par exemple de 1480 tr/mn. L'hélice est défreinée et accélère vers l'auto-rotation jusqu'à ce que la vitesse soit suffisante (par exemple, 148 tr/mn) pour que la roue libre (3) effectue alors, mécaniquement, le couplage de l'hélice et de la chaise cinématique. Cette dernière dispose du glissement maximum à chaque couplage jusque, par exemple, 154 tr/mn, avec la douceur maximale due à l'optimisation des résistances statoriques. Cette procédure ne fait appel à aucune mesure électronique et électrique. Pour le découplage rotor-chatne cinématique, lorsque la vitesse du rotor devient inférieure à 1480 tr/mn, il intervient automatiquement, dans l'hypothèse choisie à titre d'exemple. Pour le démarrage, aucun couple négatif ne vient freiner l'hélice; au contraire, la roue libre (3) présente un léger couple résiduel positif adaptable; celui-ci augmentera les performances de la machine au départ. Le choix de l'emplacement de la roue libre (3) est très important. Placée sur l'arbre rapide, c'est-à-dire entre le multiplicateur (200) et la génératrice (300), elle ne permettrait pas d'éliminer les couples résistants du multiplicateur (200). Son intégration dans le multiplicateur (200) présenterait le risque de diminuer la fiabilité de ce composant. En revanche, l'architecture retenue, conformément à l'invention, permet la mise en place de cette roue libre (3) sur l'arbre lent (5) au niveau de l'extrémité de la fusée (4). La roue libre (3), dans ces conditions, permet, lors de la séquence de freinage, par le désaccouplage automatique du rotor (R), de ne pas inverser les couples dans la chaîne cinématique, ce qui conduit à faire travailler le multiplicateur (200) dans les meilleures conditions. La structure de ce moyeu (1) est très importante. Elle sera plus clairement illustrée au moyen de la figure 6. Une de ses fonctions essentielles est notamment d'assurer l'encastrement des pales (6). Les principales contraintes auxquelles est soumis ce moyeu (1) sont la force centrifuge, une trainée excentrée, le poids, les moments aérodynamiques. Pour répondre à tous ces problèmes, ce moyeu (1) est donc conçu de telle sorte qu'il soit rigide dans son ensemble, et qu'il puisse être statiquement et dynamiquement facilement équilibré avec un encastrement parfait des pales (6). Comme le montre la figure 4, cette pale (6) est pincée grâce à une plaque de serrage (93) et grâce à des moyens de serrage (s) assurant une poussée (p). De plus, des goujons (25) insérés dans le pied de la pale (6) reprennent la force centrifuge. Le montage au moyen de la fusée (4), conformément à l'invention, tel que décrit précédemment, permet également, comme le montre la figure 5, de monter le disque de frein (F) sur le moyeu (1). Le frein (F) a un rôle essentiel. En effet, l'emballement de l'hélice qui est le motif principal de son déclenchement peut survenir soit après une coupure de réseau, soit pour la rupture de la chaîne cinématique. Dans ces conditions, l'arrêt de la machine est indispensable car de très importants efforts éprouveraient la structure dans son ensemble. En montant le frein (F) directement sur le moyeu (1), l'action sur l'hélice est directe et les impératifs de sécurité sont respectés. Les principaux motifs de déclenchement du frein sont d'une part la coupure du réseau, d'autre part la rupture d'une pièce mécanique dans la chaîne cinématique. Pour pallier le premier cas, une pince de sécurité à déclenchement par rupture de courant de type connu est mise en place. En ce qui concerne le second cas de figure, une telle rupture se traduit par un emballement dû à l'absence du couple résistant imposé par le réseau au niveau de la génératrice. Un détecteur de vitesse (33) (visible sur la figure 6) est mis en place. il s'agit d'un détecteur de proximité relié à une chaîne de mesure électronique et d'un disque (16) à trou solidaire du moyeu (1) et servant d'excitateur. L'information provenant de ce système est ensuite traitée dans un automate programmable situé dans une armoire de commande (non représentée). La figure 6 qui est une coupe brisée selon l'axe de deux pales situées à 1200 dans l'exemple nullement limitatif choisi, illustre un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. Le moyeu (1) est monté sur roulement (10) et (13) sur la fusée (4), elle-même, comme cela a déjà été dit précédemment, rendue solidaire du carter du multiplicateur (non représenté) grâce à un épaulement (103) et un boulonnage axial (104). Les roulements (10) et (13) ont à supporter les charges axiales et radiales déduites de tous les efforts et couples s'exerçant sur l'ensemble et à admettre les déversements entraînés par ceux-ci. Dans l'exemple décrit qui est une variante préférée de réalisation, le roulement (13) situé en amont est un roulement à billes et le roulement (10) situé en aval est un roulement à rouleaux cylindriques. Le déplacement latéral de ce dernier est empêché par une bague (9) maintenue en place par un manchon de serrage (8). Une entretoise (12) est positionnée entre ces deux roulements (10) et (13). Le moyeu (1) supporte une pluralité de portes-pales (P) constitués de flasques (90), (91) et de plaques (92) et contre-plaque (93), l'ensemble étant rigidifié par des nervures (94). Sur ce moyeu (1) est fixé un disque de frein (16) par une série de boulons (37). Un détecteur de survitesse (33) est porté par un support de détecteur (15) solidaire de la fusée (4). L'arbre (5) du multiplicateur traverse la fusée (4) et est claveté à son extrémité dans le moyeu (33) de la roue libre (3), le moyeu (33) étant supporté par deux roulements (34), (35). Cette roue libre (3) est solidarisee au moyeu (1) porte-pales par un boulon (29) de manière élastique grâce à une rondelle élastique (30) qui fixe également le palier (11) porte-roulement (10). Comme le montre la figure 6, chaque pale (6) est maintenue axialement par des écrous (66) et pincée radialement entre la plaque (92) et la contre-plaque (93) par des moyens de serrage (s). Un capotage aérodynamique (150) solidaire du moyeu (1) est prévu à l'avant du rotor pour protéger l'ensemble du dispositif. L'hélice est maintenue à l'arrêt par le frein à disque (F) au repos. Grâce à la mise en place de la roue libre (3), l'hélice peut tourner à une vitesse inférieure à la vitesse de l'arbre (5) du multiplicateur (200). On peut ainsi effectuer des couplages et des découplages fréquents du groupe. L'aéro-générateur équipé d'une fusée et d'une roue libre, conformément à l'invention, se présente sous la forme d'une machine compacte conduisant à un rendement optimal. Ses applications sont nombreuses et concernent notamment l'installation de parcs d'éoliennes destinées à être couplées au réseau électrique de distribution. REVENDICATIONS 1) Dispositif de liaison du rotor au multiplicateur d'un aéro-générateur; caractérisé en ce qu'il comporte la combinaison d'une fusée (4) rendue solidaire du multiplicateur (200), fusée (4) supportant, grâce à deux roulements (10) et (13), le moyeu (1) du rotor portant les pales (6), le couplage et le découplage de l'arbre (5) du multiplicateur (200) étant assurés grâce à une roue libre (3) dont le moyeu (33) est rendu solidaire à la fois du bout d'arbre (5) et du moyeu (1). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fusée (4) est rendue solidaire du carter (101) du multiplicateur (200) grâce à un épaulement (103) et des moyens de solidarisation (104). 3) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce moyeu (1) supporte une pluralité de portes-pales (P) constituées de flasques (90,91), de plaques (92) et contre-plaques (93) de telle sorte que l'encastrement des dites pales (6) se fasse par serrage au moyen de moyens de serrage (s) qui les pincent entre les plaques (92) et les contre-plaques (93). 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pieds de pales sont maintenus axialement par des écrous (66). 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le roulement (13) situé au niveau de l'encastrement de la fusée (4) au multiplicateur est un roulement à billes et le roulement (10) situé à l'autre extrémité, côté roue libre (3), est un roulement à rouleau. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (16) de frein (F) est solidaire du moyeu (1). 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un détecteur de vitesse (33) est rendu solidaire de la fusée (4). 8) Aéro énérateur comportant un ensemble multiplicateur, génératrice, moyens d'orientation, le tout monté sur un pylône, caractérisé en ce que les moyens de liaison du rotor (R) à l'arbre (5) du multiplicateur est conforme à l'une des revendications précédentes. 9) Aéro-générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que son fonctionnement est le suivant: - le rotor (R) étant arrêté, la génératrice (300) démarre. en moteur avec un appel de courant minimal pour atteindre sa vitesse moteur; - le rotor est défreiné et accéléré vers l'autorotation jusqu'à ce que la vitesse soit suffisante pour que la roue libre (3) effectue mécaniquement le couplage du rotor (R) et de la chaise cinématique; - en sens inverse, la vitesse du rotor (R) devenant inférieure à la vitesse moteur, la roue libre (3) assure le découplage du rotor (R) et de la chaîne cinématique.