Brevet FR2863321A1 — publié le 20050610

Pale d'aérogénérateur intégrant des moyens de liaisons améliorés entre la racine de la pale et le moyeu de l'aérogénérateur, bride, procédé de fabrication et aérogénérateur correspondants. L'invention concerne le domaine des aérogénérateurs. Plus précisément, l'invention concerne un aérogénérateur de type éolienne qui peut être groupé avec d'autres aérogénérateurs du même type pour former une centrale. Dans le domaine des aérogénérateurs, le principe des éoliennes est largement connu et appliqué. Ces éoliennes peuvent être utilisées par des particuliers pour leur propre utilisation. Les éoliennes domestiques de ce type sont donc généralement isolées et de relativement petites dimensions. Une autre catégorie d'éoliennes est destinée à la production d'électricité à plus grande échelle: ces éoliennes sont de grandes dimensions et sont généralement regroupées en centrales. La production mondiale d'électricité par des éoliennes connaît actuellement un développement important, du fait notamment qu'elles représentent un moyen de production d'énergie écologique. Toutefois, sur le plan technique, les éoliennes de grandes dimensions posent encore de nombreux problèmes. On rappelle qu'une éolienne, ou plus généralement un aérogénérateur, est constituée d'une mâture en haut de laquelle est placée une génératrice entraînée par un moyeu portant les pales (généralement au nombre de trois) . Le principe de fonctionnement consiste alors à transformer l'énergie cinétique du vent agissant sur les pales en énergie mécanique due au mouvement de rotation du rotor, puis à transformer cette énergie mécanique en énergie électrique. Comme déjà mentionné précédemment, les éoliennes destinées à la production d'électricité à plus grande échelle présentent des dimensions de plus en plus importantes: les pales de ces éoliennes mesurent chacune par exemple 23 m (pour une puissance de 750 KW) ou plus, pour des puissances pouvant atteindre plusieurs mégawatts. La tendance actuelle est de chercher à augmenter 2863321 2 la puissance des éoliennes, ce qui a pour conséquence d'augmenter la longueur des pales. Or, la liaison de la pale au moyeu de l'aérogénérateur est un point sensible, ceci d'autant plus que la longueur de la pale, et donc son poids, augmentent. Cette liaison est classiquement réalisée à l'aide de moyens de vissage coopérant avec des alésages filetés portés par la racine de la pale. En pratique, la liaison entre la racine de la pale et le moyeu est obtenue de la façon illustrée par la figure 1. Tel que cela apparaît sur cette figure, les liaisons classiques de l'art antérieur mettent en oeuvre des inserts filetés 11, pénétrant radialement la racine 1 de la pale. Ces inserts filetés 11 sont destinés à coopérer avec des boulons 21 assurant le maintien de la racine 1 de la pale contre le moyeu 20. Dans une telle liaison, on dénombre jusqu'à quarante points de fixation, pour une pale de 23 m, c'est-à-dire quarante inserts pénétrant radialement la racine de la pale. Ces quarante inserts impliquent donc quarante perçages de la racine, ce qui tend à fragiliser celle-ci. Pour assurer une résistance mécanique de cette liaison dite classique, on prévoit traditionnellement: d'éloigner les inserts de l'extrémité de la racine et de cercler l'extrémité de la racine; d'augmenter l'épaisseur de la racine pour compenser la perte de section de celle-ci du fait des perçages formant logement pour les inserts. Ce type de liaison présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, cette liaison impose la réalisation des perçages pour la mise en place des inserts filetés, ce qui entraînent inévitablement des ruptures dans les fibres (la racine, étant le plus souvent réalisé en fibres de verre et/ou de carbone) longitudinales. 2863321 3 Ceci fragilise la racine, alors que la résistance de celle-ci est un des éléments essentiels dans la réalisation d'une pale. En second lieu, l'augmentation de l'épaisseur de la racine et l'ajout d'un cerclage tendent à augmenter sensiblement le poids de la pale. Or, pour diminuer l'inertie en rotation et augmenter la fiabilité des pales, on cherche notamment à réduire leur poids, tout en améliorant bien entendu la résistance mécanique. Les solutions actuelles pour la fixation des pales au moyeu vont donc à l'inverse de cette recherche de gain de poids, et peuvent présenter des risques mécaniques. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer une nouvelle technique de fixation des pales au moyeu d'un aérogénérateur qui permette d'éviter des ruptures de fibres dues à des perçages, et de ce fait assurer une meilleure homogénéité du principe de fixation. En ce sens, l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique de fixation qui permette d'envisager des réductions du poids de la pale et/ou des pièces portées par elle pour la fixer au moyeu. L'invention a aussi pour objectif de fournir une telle technique de fixation qui soit simple de conception et facile à mettre en oeuvre. Un autre objectif de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'une pale pourvu de moyens permettant la mise en oeuvre de la technique de fixation selon l'invention. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet une pale d'aérogénérateur présentant à l'une de ses extrémités une racine cylindrique destiné à être fixée au moyeu d'un aérogénérateur à l'aide de moyens de vissage coopérant avec des alésages filetés portés par ladite racine ou par un élément solidaire de celle-ci, caractérisé en ce que lesdits alésages filetés débouchent librement en direction dudit moyeu, lesdits alésages étant ménagés dans au moins une pièce au moins partiellement 2863321 4 adossée contre ladite racine et solidarisée avec celle-ci. En d'autres termes, les alésages filetés sont prévus pour être présentés en bout de la racine de la pale, de façon à déboucher librement vers le moyeu, soit dans le prolongement de la racine, soit de façon à s'inscrire sensiblement dans le plan extrême de la racine de la pale. On comprend donc que l'intégrité mécanique de la racine n'est pas affectée grâce à la suppression des perçages réalisés pour la mise en place d'inserts encastrés comme c'est le cas selon l'art antérieur. Il n'est donc plus nécessaire d'augmenter démesurément l'épaisseur de matière à la racine, dans la mesure où l'on évite le renforcement, nécessaire dans les solutions classiques pour compenser la perte de section due aux perçages. Des gains de poids notables peuvent donc être envisagés grâce à l'invention. On note que l'axe des alésages peut être classiquement sensiblement parallèle à l'axe de la racine de la pale, cette disposition pouvant toutefois varier en fonction notamment de la structure de l'élément du moyeu avec lequel la pale doit être solidarisée. Selon une solution avantageuse, lesdits alésages filetés sont ménagés dans une bride solidaire de ladite racine. Ainsi, tous les alésages filetés sont ménagés dans une pièce appelée bride qui selon le mode de mise en oeuvre peut être réalisée en plusieurs éléments présentant chacun une pluralité d'alésages filetés. Ceci a aussi pour avantage de réduire les temps de montage comparé aux solutions classiques qui, de plus, demandent beaucoup de précision dans la disposition des inserts (au nombre de 40 pour une pale de 23 m). Selon une solution préférée, ladite bride présente au moins deux parties: une assise, dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés; des moyens de solidarisation destinés à assurer la solidarisation de ladite bride à ladite racine, et s'étendant à partir de ladite assise. 2863321 5 On obtient de cette façon une bride avec une assise permettant de présenter des alésages filetés qui débouchent librement, cette assise faisant unité avec des moyens de solidarisation qui s'étendent essentiellement en direction longitudinale de la racine comme cela apparaîtra clairement par la suite, par opposition en quelque sorte aux inserts de l'art antérieur, disposés et encastrés radialement. Avantageusement, lesdits moyens de solidarisation sont constitués par un élément essentiellement tubulaire coaxial avec ladite racine. Préférentiellement, lesdits moyens de solidarisation sont noyés dans la paroi de ladite racine. On peut de cette façon obtenir une parfaite cohésion mécanique entre la bride et la racine de la pale, garantissant une grande fiabilité à l'ensemble et à la liaison de celui-ci avec le moyeu. Selon une solution avantageuse, lesdits moyens de solidarisation comprennent des moyens de retenue axiale de ladite bride par rapport à ladite racine. Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier, lesdits moyens de retenue comprennent une surface conique ménagée sur la surface interne dudit élément tubulaire avec une conicité correspondant sensiblement à la conicité de ladite racine en matériaux composites. Préférentiellement, la surface externe dudit élément tubulaire présente au moins une portion conique de conicité inverse à celle de ladite surface conique ménagée sur ladite surface interne. On obtient ainsi des moyens de retenue efficaces par les conicités internes et externes inversées, le profil externe de l'insert venant progressivement mourir sur la racine en matériau composite en direction de l'extrémité de pale, en vue d'être recouvert par le matériau de la racine et d'être parfaitement noyé dans celle-ci. Ceci contribue à améliorer encore la bonne tenue axial de la bride dans la racine de la pale, tout en respectant l'orientation et l'intégrité des fibres 2863321 6 longitudinales du mât. Selon une autre caractéristique, lesdits moyens de retenue comprennent au moins une rainure annulaire ménagée sur ledit élément tubulaire. Dans ce cas, lesdites rainures annulaires sont préférentiellement ménagées sur chacune des surfaces interne et externe dudit élément tubulaire. Ces rainures forment donc une butée mécanique, les fibres de la racine de la pale pénétrant les rainures comme cela va apparaître par la suite. Une telle caractéristique contribue donc à améliorer encore la tenue axiale de la bride dans la racine de la pale. L'invention concerne également une bride telle que décrite précédemment. Préférentiellement, la bride présente au moins deux parties: une assise, dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés; des moyens de solidarisation assurant la solidarisation de ladite bride à ladite racine, et s'étendant à partir de ladite assise. L'invention concerne aussi un aérogénérateur portant au moins une pale telle que décrite précédemment. L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'une pale d'aérogénérateur, comprenant les étapes de: réalisation d'une bride présentant une assise, dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés et des moyens de solidarisation destinés à assurer la solidarisation de ladite bride à ladite racine, et s'étendant à partir de ladite assise; réalisation de la racine de la pale de façon à noyer dans ladite racine lesdits moyens de solidarisation. Les préparatifs de la fixation peuvent de cette façon être réalisés avant ou en parallèle de la réalisation de la pale. Préférentiellement, ladite étape de réalisation de ladite racine est obtenue par enroulement filamentaire. 2863321 7 Selon une solution avantageuse, le procédé comprend les étapes de: réalisation d'une première partie de l'épaisseur de ladite racine; pose de la bride; réalisation d'une deuxième partie de l'épaisseur de la racine en recouvrement d'au moins une partie de ladite bride. Préférentiellement, le procédé comprend une étape de ceinturage final, en recouvrement de ladite deuxième partie de l'épaisseur de la racine. Avantageusement, le procédé comprend une étape de ceinturage de ladite première partie de l'épaisseur de ladite racine et une étape de ceinturage de ladite bride, le ceinturage étant réalisé de façon que les fibres de ceinturage soient orientées sensiblement parallèlement aux rainures annulaires de ladite bride. De cette façon, l'action des rainures annulaires est encore renforcée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue d'une racine de pale solidarisée à un élément du moyeu d'un aérogénérateur, selon une technique de l'art antérieur; la figure 2 est une vue en perspective d'une pale d'aérogénérateur selon l'invention; la figure 3 est une vue en perspective d'une bride destinée à équiper une pale d'aérogénérateur selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe de la racine d'une pale, équipée d'une bride selon l'invention; la figure 5 est une vue de la pale détaillant la structure interne de la racine illustrée par la figure 4. En référence à la figure 2, une pale d'aérogénérateur comprend un profil dynamique 2 et présente à l'une de ses extrémités une racine 1. 2863321 8 Selon l'invention, des alésages filetés 31 (figure 4) sont présentés à l'extrémité de la racine 1 de la pale, et s'étendent de façon à déboucher librement en direction du moyeu (non représenté) sur lequel la pale est destinée à être rapportée et solidarisée à l'aide de moyens de vissage coopérant avec les alésages filetés 31. Selon un mode de réalisation préférentiel, ces alésages filetés 31 sont ménagés dans une bride 3 (figure 3) solidarisée avec la racine 1. Cette bride 3 comprend deux parties une assise 32, dans laquelle sont ménagés des alésages filetés 31, cette assise 32 venant s'adosser contre un épaulement 111 de la racine 1, après solidarisation de la bride 3 et de la racine 1; un élément essentiellement tubulaire 33 s'étendant à partir de l'assise 32, cet élément tubulaire 33 étant coaxial avec la racine 1 et formant moyens de solidarisation de la bride 3 avec la racine 1. Tel qu'illustré sur la figure 4, la surface externe et la surface interne de l'élément tubulaire 33 présentent chacune une portion conique, respectivement 331, 34 dont les conicités sont inversées (celles-ci ne présentant pas nécessairement le même degré de conicité). Par ailleurs, des rainures annulaires 35 sont ménagées sur les surfaces internes et externes de la bride 3. Tel que cela apparaît clairement sur la figure 4, l'élément tubulaire 33 est noyé dans la paroi de la racine 1 (représentée en traits pointillés). Ainsi, la portion conique 331, de la surface externe, la surface conique 34 de la surface interne et la pluralité de rainures 35 de la bride 3 constituent des moyens de retenue axiale de la bride 3 par rapport à la racine 1. En d'autres termes, le profil de l'insert composé de sa double conicité permet de reprendre l'effet centrifuge de la pale en rotation combiné au moment d'encastrement du à l'effort aérodynamique (pression exercée par le vent). 2863321 9 Un procédé de fabrication d'un ensemble formé par le mât de la pale et de la bride qui viennent d'être décrits va maintenant être explicité. Selon une première étape du procédé de mise en oeuvre, on réalise une bride 3 présentant une assise 32 dans laquelle sont ménagés des alésages filetés 31 et un élément tubulaire 33 s'étendant à partir de l'assise 32. Une deuxième étape consiste à intégrer l'insert 33 de la bride 3 dans la racine 1 de la pale. Cette deuxième étape, selon un mode de fabrication préférentiel, est obtenue plus précisément de la façon suivante (en référence à la figure 5) : a) réalisation d'une première partie de l'épaisseur de la racine 51 de la pale, en disposant des fibres multidirectionnelles; b) ceinturage de cette première partie 51, avec des fibres s'étendant sensiblement parallèlement aux rainures annulaires 35 de la bride 3; c) pose de la bride 3; d) ceinturage de l'élément tubulaire 33 de la bride, avec des fibres s'étendant sensiblement parallèlement aux rainures annulaires 35 de la bride 3; e) réalisation d'une deuxième partie 52 de l'épaisseur de la bride 3 en disposant des fibres multidirectionnelles; f) réalisation d'un ceinturage final 53. Bien entendu, d'autres procédés de fabrication de la racine d'une telle pale peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Pale d'aérogénérateur comprenant à l'une de ses extrémités une racine cylindrique (1) destinée à être fixée au moyeu d'un aérogénérateur à l'aide de moyens de vissage coopérant avec des alésages filetés (31) portés par ladite racine (1) ou par un élément solidaire de celle-ci, caractérisé en ce que lesdits alésages filetés (31) débouchent librement en direction dudit moyeu, lesdits alésages (31) étant ménagés dans au moins une pièce au moins partiellement adossée contre ladite racine (1) et solidarisée avec celle-ci. 2. Pale d'aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits alésages filetés (31) sont ménagés dans une bride (3) solidaire de ladite racine (1). 3. Pale d'aérogénérateur selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite bride (3) présente au moins deux parties: une assise (32), dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés (31) ; des moyens de solidarisation destinés à assurer la solidarisation de ladite bride (3) à ladite racine (1), et s'étendant à partir de ladite assise (32). 4. Pale d'aérogénérateur selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de solidarisation (33) sont constitués par un élément essentiellement tubulaire coaxial avec ladite racine (1). 5. Pale d'aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de solidarisation (33) sont noyés dans la paroi de ladite racine (1). 6. Pale d'aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de solidarisation (33) comprennent des moyens de retenue axiale de ladite bride (3) par rapport à ladite racine (1). 2863321 11 7. Pale d' aérogénérateur selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de retenue comprennent au moins une surface conique (34) ménagée sur la surface interne dudit élément tubulaire, avec une conicité correspondant sensiblement à la conicité de ladite racine (1). 8. Pale d'aérogénérateur selon la revendication 7, caractérisée en ce que la surface externe dudit élément tubulaire présente au moins une portion coniques (331), de conicité inverse à celle de ladite surface conique (34) ménagée sur ladite surface interne. 9. Pale d'aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que lesdits moyens de retenue comprennent au moins une rainure annulaire (35) ménagée sur ledit élément tubulaire. 10. Pale d'aérogénérateur selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites rainures annulaires (35) sont ménagées sur chacune des surfaces interne et externe dudit élément tubulaire. 11. Bride (3) de solidarisation d'une pale d'aérogénérateur au moyeu dudit aérogénérateur, caractérisée en ce qu'elle présente des alésages filetés (31) destinés à déboucher librement en direction dudit moyeu, ladite bride (3) étant destinée à être partiellement adossée contre ladite racine (1) et solidarisée avec celle-ci. 12. Bride (3) selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle présente au moins deux parties: une assise (32), dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés (31) ; des moyens de solidarisation (33) assurant la solidarisation de ladite bride (3) à ladite racine (1), et s'étendant à partir de ladite assise (32). 13. Aérogénérateur portant au moins une pale comprenant à l'une de ses extrémités une racine cylindrique (1) destinée à être fixée au moyeu d'un aérogénérateur à l'aide de moyens de vissage coopérant avec des alésages filetés (31) portés par ladite racine (1) ou par un élément solidaire de celle-ci, 2863321 12 caractérisé en ce que lesdits alésages filetés (31) débouchent librement en direction dudit moyeu, lesdits alésages (31) étant ménagés dans au moins une pièce au moins partiellement adossée contre ladite racine (1) et solidarisée avec celle-ci. 14. Procédé de fabrication d'une pale d'aérogénérateur selon les revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: réalisation d'une bride (3) présentant une assise (32), dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés (31) et des moyens de solidarisation (33) destinés à assurer la solidarisation de ladite bride (3) à ladite racine (1), et s'étendant à partir de ladite assise (32) ; réalisation de la racine de la pale de façon à noyer dans ladite racine (1) lesdits moyens de solidarisation (33). 15. Procédé de fabrication d'une pale d'aérogénérateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de réalisation de la racine comprend les étapes de: - réalisation d'une première partie de l'épaisseur de ladite racine; - pose de la bride; réalisation d'une deuxième partie de l'épaisseur de la racine en recouvrement d'au moins une partie de ladite bride. 16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de ceinturage final, en recouvrement de ladite deuxième partie de l'épaisseur de la racine. 17. Procédé selon l'une des revendications 15 et 16, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de ceinturage de ladite première partie de l'épaisseur de ladite racine et une étape de ceinturage de ladite bride, le ceinturage étant réalisé de façon que les fibres de ceinturage soient orientées sensiblement parallèlement aux rainures annulaires (35) de ladite bride.