Brevet FR2748296A1 — publié le 19971107

La présente invention concerne un dispositif de commande de l'angle de calage des pales des aérogénérateurs à axe horizontal. Plus précisément, l'objet de l'invention est de permettre la variation du calage des pales tout en réduisant les charges dynamiques et extrêmes sur ces pales et sur l'ensemble de la structure de l'éolienne. L'état antérieur de la technique est représenté par le brevet français nO 2 534 041, déposé le 4 octobre 1982 pour "système d'autorégulation pneumatique passive de la vitesse de pale d'un aérogénérateur, à sécurité positive". Ce même brevet fait référence au brevet nO 1 553 046, déposé le 28 novembre 1967 pour "perfectionnements aux aérogénérateurs". Selon le brevet nO 1 553 046 l'équilibre entre des masselottes et un ressort est modifié par l'action de la force centrifuge et agit sur la position en rotation des pales de façon à diminuer le calage et la puissance produite par l'hélice. Un ensemble de butées et de ressorts de rappel permet de définir un calage de démarrage et un calage optimal de fonctionnement de l'hélice. Le brevet nO 2 534 041 vise à apporter certaines améliorations au fonctionnement du système faisant l'objet du brevet nO 1 553 046. L'apport principal de la seconde invention représentée par le brevet nO 2 534 041 consiste à remplacer le ressort principal de rappel par un soufflet étanche dont l'effort de poussé est déterminé par la pression de l'air qu'il contient. Cette disposition permet à la fois un contrôle à distance de la force de poussée et apporte une sécurité supplémentaire par l'adjonction d'un système simple de vidange du soufflet. Les inventions, ci-dessus mentionnées, ont donc comme caractéristiques principales utiliser la force centrifuge et d'avoir un comportement totalement passif, bien que le brevet nO 2 534 041 mentionne la possibilité d'asservissement de la pression de l'air dans le soufflet en fonction de la puissance fournie par " aérogénérateur. La présente invention s'appuie sur des mécanismes différents puisque la force centrifuge n'est pas utilisée en tant que moyen d'action et que l'effet recherché ne consiste pas simplement à réguler la puissance de l'aérogénérateur mais aussi à réduire les charges dynamiques et extrêmes. De plus la présente invention décrit un système qui agit en réduisant l'angle d'incidence et donc en augmentant le calage, alors que les deux autres inventions s'appuient sur un fonctionnement strictement opposé, et exploite la caractéristique de décrochage des profils aérodynamiques. A ces différences ci-dessus mentionnées, on peut ajouter que dans l'invention présente les pales possèdent un comportement indépendant, les unes par rapport aux autres, dans leur mouvement de rotation. Ceci est d'ailleurs la principale caractéristique innovante de l'invention. En fait la description des inventions faisant l'objet des brevets nO 1 553 046 et nO 2 534 041 n'est apportée que pour situer la présente invention dans le contexte technique. Selon un premier objet de l'invention, le dispositif de commande du calage des pales se caractérise en ce que des moyens d'action pneumatiques, par exemple des vérins, sont activés par un ensemble d'électrovannes elles-mêmes commandées par un moyen d'asservissement, par exemple un automate programmable, agissant en fonction d'informations telles que pression, puissance électrique, vitesse de vent et vitesse de rotation. Selon un second objet de l'invention, le dispositif de commande de calage se caractérise en ce que la vidange des moyens d'action pneumatiques est réalisée par l'ouverture d'une vanne, des moyens étant prévus pour que cette ouverture intervienne en cas de dépassement d'une certaine vitesse de rotation ou en cas de vibrations excessives, ce qui a pour effet de freiner l'hélice. La description suivante des différents modes de réalisation permettra de mieux comprendre l'invention. Cette description fait référence aux dessins fournis en annexe sur lesquels - la figure 1 représente la disposition des éléments principaux de l'aérogénérateur, - la figure 2 montre l'implantation des moyens d'action pneumatiques, - la figure 3 le schéma de principe du dispositif de commande de calage de pales, - la figure 4 les courbes d'évolution du moment autour de l'axe longitudinal de la pale en fonction de l'angle de calage de cette pale et de la vitesse du vent, - la figure 5 les courbes d'évolution du moment de flexion au pied de la pale en fonction de la vitesse du vent et de l'angle de calage de cette pale. Le dispositif de commande s'applique à des aérogénérateurs à calage variable de type classique comportant au moins une pale. Selon l'exemple de réalisation cet aérogénérateur (Figure 1) comprend deux pales (1) et (2) montées à calage variable sur un support (3) rotatif autour de l'axe zz'. L'hélice entraine un multiplicateur et une génératrice supportés par la nacelle (4). L'ensemble, solidaire d'un support (5), s'oriente dans le vent autour de l'axe ww' grâce à des moyens d'actions électriques, hydrauliques ou simplement un empennage placé en arrière de la nacelle (4) Le dispositif de commande du calage des pales est constitué, comme on le voit sur la figure 2, d'un moyen d'action pneumatique agissant sur la rotation de chacune des pales (1 > et (2) autour de l'axe xx'. Dans la réalisation présente le moyen d'action pneumatique est constitué de deux vérins pneumatiques (6) et (7) agissant par l'intermédiaire des transmissions de mouvement (10) et (11) sur l'angle de calage de chacune des pales. Les capteurs de position angulaire (12) et (13) permettent d'obtenir l'information de l'angle de calage des pales nécessaire à l'asservissement. Sur les figures 1 et 2, la référence V indique le sens du vent, R indique la vitesse de rotation de l'hélice, sur la figure 3, S indique la vitesse apparente du vent par rapport à l'élément de pale (1) en rotation autour de zz'. Sur la figure 3 le vérin agissant sur le calage de la pale (1) est représenté en trait continu, alors que celui agissant sur la pale (2) est représenté en trait discontinu. La pression à l'intérieur des vérins (6) et (7) peut être réglée à l'aide des électrovannes (16), (19), (22) et (23), lesquelles sont alimentées en air comprimé par le joint tournant (18), l'alimentation en air comprimé peut ainsi être placée à l'extérieur de l'ensemble tournant, par exemple dans la nacelle (4). Les vérins (6) et (7) sont à double effet et il est ainsi possible d'agir non seulement sur la force de poussée des tiges (8) et (9) mais aussi sur la raideur de mouvement de ces tiges. Sommairement on peut affirmer que l'effort de poussée des vérins est fonction de la différence de pression entre les faces du piston (14) et que la raideur est fonction de la moyenne de ces pressions. Les électrovannes d'admission (16) et (19) ainsi que les électrovannes d'échappement (22) et (23) sont contrôlées par le système d'asservissement électronique (24), celui-ci recevant les informations de pression d'air par les capteurs de pression (17) et (20). Des régleurs de débit (15) sont disposés sur chaque entrée de vérins de façon à ralentir la répartition de l'air entre les vérins et ainsi obtenir un comportement indépendant de chacun de ces vérins pour les phénomènes rapides. On peut considérer un phénomène comme rapide, dés que sa durée est inférieure à la durée de trois ou quatre rotations de l'hélice. Des clapets anti-retour (21) sont disposés sur chaque sortie de vérin de manière à interdire le mélange d'air d'un vérin à l'autre et assurer la vidange rapide en cas d'anomalie. Le système d'asservissement (24) contrôle la position moyenne du calage des pales au moyen des capteurs de position (12) et (13) et agit sur les électrovannes d'admission (16) et (19) ou d'échappement (22) et (23) afin de maintenir le calage optimal correspondant aux conditions de vitesse de vent et de puissance électrique. L'action des forces aérodynamiques sur les pales produit un couple Mx autour de l'axe xx', et un moment de flexion My en pied de pale autour de l'axe yy'. Le moment de flexion My est un paramètre important intervenant dans le dimensionnement des pales et de la structure de l'aérogénérateur, on recherche généralement à en minimiser les fluctuations de façons à réduire les phénomènes de fatigue. L'élasticité procurée par l'utilisation de moyens d'action pneumatiques pour la commande de calage des pales est réglée de manière à ce qu'une variation du couple Mx produise une variation de l'angle de calage a minimisant les variations de My. Le mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention sera mieux compris si l'on se reporte aux figures 4 et 5 représentant l'évolution des moments Mx et My en fonction de l'angle de calage a et de la vitesse du vent V. Le moment de flexion au pied de pale My peut être rendu constant si l'angle de calage a et la vitesse du vent V sont liés par la relation de dépendance représentée par la droite (27), par exemple pour un moment de flexion MyO, V et a peuvent prendre les valeurs (v a0), (Vl a1), (V2, a2) .. . ces valeurs reportées sur la figure 4 déterminent la droite (26). Cette droite (26) traduit une relation linéaire entre Mx et a. La pente de cette droite définit une raideur dans la transmission du mouvement entre le vérin pneumatique et la pale, et cette raideur est celle permettant de rendre constant le moment de flexion My en fonction de la vitesse du vent V. Selon une seconde variante de cette invention une vanne (25), placée dans le circuit d'échappement du dispositif, est ouverte par l'action de la force centrifuge sur une petite masselotte. Le tarage d'un ressort de rappel permet de régler le seuil de la vitesse de rotation de l'hélice commandant l'ouverture de la vanne. L'ouverture de cette vanne provoque la mise en drapeau de l'hélice. Ce dispositif permet donc l'arrêt d'urgence de l'aérogénérateur en cas d'anomalie. Ce n'est qu'à titre d'exemples que l'on a décrit cidessus un mode particulier de réalisation. Cependant l'invention couvre toutes les réalisations mettant en oeuvre de manière identique la combinaison fonctionnelle de moyens caractéristique de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commande du calage des pales d'un aérogénérateur équipé de moyens d'action pneumatiques permettant la réduction des charges dynamiques sur les pales et l'ensemble de la structure, caractérisé en ce qu'il est constitué par des vérins pneumatiques (6) et (7), agissant individuellement sur la rotation de pales (1) et (2), et dont la force de poussée est contrôlée par un asservissement composé de un calculateur (24) recevant les informations des capteurs de position angulaire (12) et (13) et des capteurs de pression d'air (17) et (20) et agissant sur l'ouverture et la fermeture des électrovannes d'admission (16) et (19) et d'échappement (22) et (23) de façon à obtenir la pression requise sur chaque face du piston (14), des régleurs de débit d'air (15) sont placés sur chaque entrées de vérin dans le circuit d'admission afin de ralentir la répartition de l'air entre les vérins et, de même, des clapets anti-retour (21) sont disposés sur chaque sorties de vérin dans le circuit d'échappement de manière à éviter cette répartition d'air. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une vanne (25) de mise en drapeau de l'hélice et d'arrêt total de l'éolienne, disposée dans le circuit d'échappement du système pneumatique et actionnée par la force centrifuge.