Brevet FR2750460A1 — publié le 19980102

PERFECTIONNEMENT A UN DISPOSITIF AERO GENERATEUR La présente invention concerne un perfectionnement à un dispositif aéro générateur du type à au moins deux pales solidaires en rotation d'un axe d'entraînement d'un générateur électrique incorporé dans une nacelle. Le perfectionnement apporté permet d'éviter le phénomène dit de lacet provoqué par les brusques variations d'orientation du vent qui dans un premier temps place les pales dans une position de plus faible rendement et ensuite provoque des oscillations de l'ensemble nacelle autour d'une position d'équilibre lorsque ces variations d'orientation du vent sont fréquentes. Pour éviter ces inconvénients, il est connu dans l'art antérieur, notamment par le brevet US 5 178 518, un dispositif dans lequel un capteur détecte les variations de position de la nacelle par rapport au mât pour déclencher, lorsque c'est nécessaire, un système de freinage. Les variations de position dans le brevet américain sont détectées par un système de masselottes centrifuges poussant un piston qui agit par un fluide sur des plaquettes de frein destinées à pincer la couronne d'orientation de la nacelle par rapport au mât. II existe également un autre système dans lequel on détecte les variations d'orientation du vent par un capteur et à chaque variation on déclenche un moteur électrique pour déplacer la nacelle de façon à l'orienter perpendiculairement au vent puis un système de freinage bloque la nacelle en position. De tels dispositifs ont l'inconvénient d'être complexes et, du fait de leur complexité, d'une part portent préjudice à la fiabilité de l'installation et d'autre part augmentent le coût du dispositif aéro générateur. Dans l'art antérieur il est également connu, par la demande de brevet russe 1 557 350, un dispositif aéro générateur dans lequel la nacelle est montée pivotante sur un mât. La nacelle est rendue solidaire d'un amortisseur hydraulique, lequel engrène par l'intermédiaire d'un pignon avec une couronne dentée formée sur l'extrémité supérieure du mât de support de la nacelle. Un tel dispositif présente l'inconvénient d'augmenter la section du mât pour pouvoir y loger à l'intérieur, I'amortisseur hydraulique, le pignon et la couronne dentée. D'autre part l'amortisseur hydraulique est relié à la nacelle par un élément support qui est centré par rapport à l'axe de rotation du mât et gêne le passage des câbles conducteurs de l'électricité fournie par le générateur électrique incorporé dans la nacelle et entraîné par les pales de l'éolienne. Enfin le dispositif amortisseur hydraulique est constitué par une succession de palettes entraînées en rotation par l'axe du pignon entraîné en rotation par la couronne crantée. Ces palettes constituant l'élément amortisseur décrivent un mouvement épicycloïdal et se déplacent dans un cylindre pourvu d'encoches. Les encoches en forme de peigne augmentent ainsi les phénomènes de friction entre les palettes mobiles en rotation et la partie fixe de l'amortisseur hydraulique. Un tel amortisseur est d'une part de constitution complexe, d'autre part difficile à assembler. Le but de l'invention est donc de perfectionner un aéro générateur de façon à le rendre moins sensible au phénomène de lacet, sans pour autant augmenter la complexité de sa constitution ni gêner le passage des câbles conducteurs du courant fourni par le générateur et encore moins nécessiter une augmentation de la section du mât de support pour permettre la mise en place du dispositif évitant les phénomènes de lacet. Ce but est atteint par le fait que l'aéro générateur du type à au moins deux pales solidaires en rotation d'un axe d'entraînement d'un générateur électrique incorporé dans une nacelle qui, elle même, est montée pivotante par des moyens sur un mât érigé sur le sol, I'axe de rotation de la nacelle étant perpendiculaire à l'axe d'entraînement est caractérisé en ce que les moyens de pivotement de la nacelle sur le mât comprennent un dispositif d'amortissement hyper critique des mouvements de lacet de la nacelle intégré au mât. Selon une autre particularité le dispositif d'amortissement est constitué d'un élément formant une gorge annulaire cylindrique solidaire d'une des deux pièces constituées, soit par la nacelle, soit par le mât, d'un fluide de viscosité déterminée et élevée, disposé dans l'espace annulaire et d'un cylindre de friction d'épaisseur inférieure audit espace annulaire et disposé dans cet espace, ledit cylindre de friction étant monté solidaire du second des deux éléments constitués, soit par la nacelle, soit par le mât. Selon une autre particularité le cylindre de friction est pourvu de perforations sur sa périphérie. Selon une autre particularité le fluide à viscosité élevée déterminée est un silicone de viscosité supérieure ou égale à 150 000 stocks. Selon une autre particularité les moyens de pivotement de la nacelle sur le mât sont constitués, soit d'un chemin de roulement solidaire du cylindre interne de l'élément formant gorge fixé au mât et de roulements à galets interposés entre ce chemin de roulement et une surface d'appui solidaire, d'une part du cylindre de friction et d'autre part de la nacelle, soit d'un chemin de glissement en téflon ou polyéthylène haute densité. Selon une autre particularité la surface d'appui est solidaire de façon amovible de la nacelle. Selon une autre particularité un joint d'étanchéité est disposé à l'extrémité supérieure du cylindre externe constituant la gorge annulaire et appuyant, d'une part sur le cylindre de friction et d'autre part sur un élément constituant la surface d'appui. Selon une autre particularité l'élément formant gorge annulaire est rendu solidaire de façon amovible de l'extrémité supérieure du mât. Selon une autre particularité le mât est haubané pour permettre l'absorption des efforts de flexion et de torsion par les haubans et limiter la section du mât à la résistance nécessaire au flambage. Selon une autre particularité les pales sont montées sur la nacelle à une distance correspondant à 3 ou 4 fois le diamètre du mât par rapport à l'axe de symétrie de ce mât. Selon une autre particularité les pales sont articulées en rotation par rapport à la direction perpendiculaire à l'axe d'entraînement au moyen d'un dispositif d'auto régulation de la vitesse et d'orientation des pales par rapport au vent, en fonction de la vitesse du type muni de masselottes centrifuges. Selon une autre particularité le cylindre de friction a un diamètre proche de celui du mât. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe du perfectionnement de l'invention; la figure 2 représente une vue schématique globale d'un dispositif aéro générateur selon l'invention; la figure 3 représente deux courbes représentatives des variations angulaires dans le temps de deux nacelles différentes par rapport à une direction. L'invention va maintenant être décrite en liaison avec les figures 1 à 3. L'invention est constituée d'un dispositif pivot d'amortissement (4) intercalé entre l'extrémité supérieure du mât (5) supportant un aéro générateur installé dans une nacelle (28) montée pivotante autour de l'axe de symétrie (281) du mât (5). Comme représenté sur la figure 2, la nacelle (28) comporte en son intérieur un générateur électrique (30) relié par un moto réducteur (24) à un axe (18) solidaire d'un second axe (16) de direction perpendiculaire à l'axe de symétrie (18). Sur l'axe (16), sont montées, articulées en rotation par rapport à cet axe (16), au moins deux pales (11, 12) constituant l'éolienne. Ces pales (11, 12) montées en rotation peuvent être équipées d'un dispositif d'auto régulation de la vitesse et de l'orientation des pales par rapport au vent, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre (18), ce dispositif étant du type muni de masselottes centrifuges. De tels dispositifs sont connus notamment par la demande de brevet français 2 362 282 ou par la demande de brevet français 2 316 454. Ces dispositifs permettent d'assurer le démarrage de l'aéro générateur dès qu'un vent suffisant est obtenu et d'optimiser l'orientation des pales par rapport à la direction générale du vent. Toutefois, lorsqu'un tel dispositif aéro générateur est monté pivotant au sommet d'un mât (5), le vent peut subir des variations brusques d'orientation qui vont amener la nacelle (28) à se déplacer en rotation de façon naturelle pour amener les pales (11, 12) dans la position de meilleure orientation par rapport au vent. Toutefois, en raison de l'inertie de la nacelle et du poids des pales, le système, en cas de variation répétitive de l'orientation du vent, peut se mettre à osciller et à avoir des mouvements de déplacement dit en lacet. Ce phénomène est d'autant plus préjudiciable que l'aéro générateur peut être du type à pales en aval du mât ou à pales en amont du mât par rapport au vent. Lorsque les pales sont, comme représenté figure 2, en aval du mât, à ce phénomène de lacet, peut s'ajouter un phénomène de perturbation de l'écoulement du vent dû à la section du mât et à la proximité de l'une des deux pales de l'éolienne. Enfin, ces phénomènes sont d'autant plus sensibles que l'éolienne est du type bipale. L'amortisseur pivot (4) de nacelle (28) est constitué, comme représenté à la figure 1, d'une chemise cylindrique interne (41) rendue solidaire d'une bague annulaire (42) de liaison avec une bague (51) d'extrémité du mât (5). Une deuxième chemise cylindrique (40) externe de diamètre supérieur à la première chemise interne est également reliée à la bague annulaire (42) par un socle (401) formé à une extrémité de cette chemise externe (40). La différence de diamètre entre la chemise interne (41) et la chemise externe (40) ménage une gorge annulaire, ouverte à une extrémité et étanche à l'extrémité inférieure grâce à un joint d'étanchéité (46) plat disposé entre la bague (42) et la surface d'appui (401) vers le bas. Dans cette gorge annulaire étanche, on met en place un fluide visqueux, de viscosité élevée et déterminée. Dans ce fluide visqueux est plongée une chemise cylindrique (43) de friction de diamètre correspondant au diamètre de la chemise interne (41) augmenté de l'espace définissant la gorge. L'épaisseur de cette chemise de friction (43) est inférieure à l'épaisseur de la gorge. La chemise de friction (43) est pourvue de perçage (431) permettant d'éviter l'effet de pompe avec refoulement du fluide dû aux variations éventuelles des diamètres des surfaces en vis-à-vis entre le cylindre de friction (43) et le cylindre interne (41). Le cylindre de friction (43) est rendu solidaire à sa partie supérieure d'une bague annulaire (49) de liaison à la nacelle comportant une surface d'appui (492) sur des roulements cylindriques ou du type galet (8) lesquels appuient sur un chemin de roulement formé par une bague annulaire (481) rendue solidaire de l'extrémité supérieure du cylindre interne (41). Dans une autre variante de réalisation, les galets (8) sont remplacés par au moins une bague en téflon ou polyéthylène haute densité rendue solidaire, soit de la bague annulaire (481), soit de la surface d'appui (492) et glissant, soit directement sur la surface en vis-à-vis, soit sur une deuxième bague de glissement solidaire de l'autre surface. Une bague interne (482) et une rondelle supérieure (483) permettent d'immobiliser en déplacement longitudinal la bague de liaison (49) solidaire du cylindre de friction (43). La bague supérieure (483) est rendue solidaire de façon démontable de la bague interne (482) et du chemin d'appui (481) par des vis (484). De même la bague de liaison (49), solidaire du cylindre de friction, est rendue solidaire de la nacelle (28), par exemple, de façon démontable par des vis (493). Enfin un joint torique (47) est disposé à l'extrémité supérieure du cylindre externe (40) et vient en appui, d'une part sur la bague de liaison (49) et, d'autre part sur le cylindre de friction (43). Ce joint (47) permet d'assurer l'étanchéité du pivot amortisseur. Le pivot amortisseur ainsi constitué permet un passage aisé vers le sol des conducteurs (31) de distribution de l'énergie électrique fournie par le générateur (30). Ce dispositif pivot amortisseur ne nécessite pas un accroissement du diamètre du mât et permet de se contenter du même diamètre que le mât. Ceci permet au concepteur de minimiser le diamètre D du mât (5) par la mise en place d'un système de haubans (60, 61) ancrés dans des plots en béton (70, 71) sans être lié par des contraintes d'encombrement. Le système de haubans (60, 61) permet de calculer la section du tube (5) formant le mât, de façon à assurer simplement la tenue au flambage du mât sous le poids de la nacelle (28), puisque les autres efforts de flexion et de torsion sont en partie encaissés par les haubans (60, 61). La mise en place d'un dispositif amortisseur qui ne pose pas de contraintes sur le diamètre du mât permet également de réduire le diamètre du mât de façon à assurer un bon écoulement du vent, favorisant le bon fonctionnement des pales (11, 12), même lorsque celles-ci sont situées en aval du mât par rapport à la direction du vent, représentée figure 2, par la flèche V. En effet on sait qu'en disposant les pales à une distance de 3 ou 4 fois le diamètre (D) du mât, il est possible d'assurer un écoulement correct du vent autour du mât sans perturber le fonctionnement des pales. Cet avantage permet de réduire d'autant le porte-à-faux de la nacelle par rapport à son axe de rotation (281) que par rapport au mât (5). Dans le cas où la distance est inférieure, les pales au passage ou au voisinage du mât se trouvent dans une zone dont l'écoulement est perturbé. II est bien évident que l'invention n'est pas limitée au dispositif aéro générateur aval mais peut également s'appliquer aux dispositifs aéro générateurs dans lesquels les pales sont situées en amont du mât par rapport à la direction du vent V. Dans ce cas, la nacelle (28) est pourvue à proximité du générateur (30) d'une queue non représentée permettant l'orientation de la nacelle dans l'autre sens par rapport à la figure 2. Enfin, la réduction de la taille des éléments favorisant le bon fonctionnement de l'ensemble permet également d'alléger la structure pour faciliter l'érection du dispositif aéro générateur qui est, comme on peut le voir sur la figure 2, monté articulé autour d'un axe (54) sur une embase (51) rendue solidaire d'une dalle en béton (72) ancrée dans le sol (7) par des éléments de fixation (52, 53). Le système de haubanage permet également dans ce cas de faciliter la mise en place et le maintien du mât dans sa position érigée. Une telle constitution permet d'intervenir plus facilement pour les réparations ou les vérifications de routine. Enfin, en sélectionnant soigneusement la viscosité de l'élément de friction, par exemple en prenant comme élément de friction du silicone ayant une viscosité supérieure à 150 000 stocks, on obtient un amortisseur pivot (4) réalisant un amortissement hyper critique. Nous rappellerons qu'un amortissement non critique permet de revenir à la position d'équilibre par une succession d'oscillations autour de cette position d'équilibre. Un amortissement critique revient à la position d'équilibre après avoir effectué un dépassement de la position d'équilibre et en se rapprochant ensuite de cette position d'équilibre sans oscillations. Enfin, un amortissement hyper critique amène le dispositif vers la position d'équilibre sans dépassement de cette position d'équilibre. En choisissant les viscosités et le produit de friction indiqués ci-dessus, des résultats bien meilleurs de fonctionnement de l'aéro générateur ont été obtenus. En effet, la figure 3 représente pour la courbe (1), joignant les carrés non pleins, les variations de position angulaire de la nacelle (28) dans le temps, au cours des variations de direction du vent, pour un vent de 16 à 18 m/s et ceci pendant une minute d'observation. La deuxième courbe (2), joignant les carrés pleins, correspond à la même observation effectuée pendant la même minute sur un deuxième dispositif aéro générateur équipé du pivot amortisseur hyper critique. L'effet d'amortissement représenté par la courbe (2) est indéniable. L'amortissement pivot (4) réduit de 52 % le nombre de changements de direction et de 73 % I'amplitude du mouvement, tout en autorisant une bonne orientation de la machine par rapport au vent. On a donc ainsi obtenu un dispositif de constitution simple, facile à réaliser, peu onéreux qui permet d'augmenter le rendement d'un dispositif aéro générateur d'au moins 10 à 15%. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif aéro générateur du type à au moins deux pales (11, 12) solidaires en rotation d'un axe d'entraînement (18) d'un générateur électrique (30) incorporé dans une nacelle (28) qui, elle même, est montée pivotante par des moyens (4, 8) sur un mât (5) érigé sur le sol (7), I'axe de rotation (281) de la nacelle (28) étant perpendiculaire à l'axe d'entraînement (18, 24), caractérisé en ce que les moyens de pivotement (4, 8) de la nacelle (28) sur le mât (5) comprennent un dispositif d'amortissement hyper critique des mouvements de lacet de la nacelle (28) intégré au mât. 2. Dispositif aéro générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'amortissement est constitué d'un élément (40, 41, 42, 401) formant une gorge annulaire cylindrique solidaire d'une des deux pièces constituées, soit par la nacelle (28), soit par le mât (5), d'un fluide (45) de viscosité déterminée et élevée, disposé dans l'espace annulaire et d'un cylindre de friction (43) d'épaisseur inférieure audit espace annulaire et disposé dans cet espace, ledit cylindre de friction étant monté solidaire du second des deux éléments constitués, soit par la nacelle, soit par le mât. 3. Dispositif aéro générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre de friction (43) est pourvu de perforations (431) sur sa périphérie. 4. Dispositif aéro générateur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le fluide à viscosité élevée déterminée est un silicone de viscosité supérieure ou égale à 150 000 stocks. 5. Dispositif aéro générateur selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens de pivotement de la nacelle (28) sur le mât (5) sont constitués, soit d'un chemin de roulement (481) solidaire du cylindre interne (41) de l'élément formant gorge (40, 41) fixé au mât (5) et de roulements à galets (8) interposés entre ce chemin de roulement (481) et une surface d'appui (492) solidaire, d'une part du cylindre de friction (43) et d'autre part de la nacelle (28), soit d'un chemin de glissement en téflon ou polyéthylène haute densité. 6. Dispositif aéro générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'appui (492) est solidaire de façon amovible de la nacelle (28). 7. Dispositif aéro générateur selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité (47) est disposé à l'extrémité supérieure du cylindre externe (40) constituant la gorge annulaire et appuyant, d'une part sur le cylindre de friction (43) et d'autre part sur un élément constituant la surface d'appui (492). 8. Dispositif aéro générateur selon une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que l'élément formant gorge annulaire est rendu solidaire de façon amovible de l'extrémité supérieure (51) du mât (5). 9. Dispositif aéro générateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mât (5) est haubané pour permettre l'absorption des efforts de flexion et de torsion par les haubans (60, 61) et limiter la section du mât à la résistance nécessaire au flambage. 10. Dispositif aéro générateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pales (11, 12) sont montées sur la nacelle à une distance correspondant à 3 ou 4 fois le diamètre du mât (5) par rapport à l'axe de symétrie de ce mât. 11. Dispositif aéro générateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pales (11, 12) sont articulées en rotation par rapport à la direction (16) perpendiculaire à l'axe d'entraînement (18, 24) au moyen d'un dispositif d'auto régulation de la vitesse et d'orientation des pales par rapport au vent, en fonction de la vitesse du type muni de masselottes centrifuges. 12. Dispositif aéro générateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre de friction a un diamètre proche de celui du mât.