Brevet FR2870298A1 — publié le 20051118

La présente invention concernes une éolienne notamment destinée à la transformation en énergie électrique de l'énergie fournie par le vent, et plus particulièrement un dispositif de régulation de vitesse pour ce type d'engin. On sait que les éoliennes de type aérogénérateur sont essentiellement constituées d'un axe central, habituellement horizontal, formant le rotor d'une génératrice, qui est entraîné en rotation par rapport au stator de celle-ci par des pales perpendiculaires audit axee.. Les pales sont ellesmêmes montées à rotation autour de leur axe longitudinal ce qui leur permet, à l'instar d'une hélice d'avion, de posséder un angle de calage, (c'est-à-dire un angle existant entre leur corde de portance nulle et leur plan de rotation) plus ou moins grand, ce qui autorise, pour une vitesse donnée du vent, de disposer d'une vitesse de rotation contrôlée plus ou moins élevée. L'un des problèmes rencontrés dans les éoliennes de type aérogénérateur est que, pour des raisons liées à la constitution même des génératrices utilisées, il est impératif de réduire leur vitesse de rotation dès que ces génératrices atteignent une valeur de charge limite déterminée sous peine d'entraîner la destruction pure et simple de l'ensemble par effet de survitesse. Afin d'éviter un tel inconvénient on a proposé de -réduire leur vitesse de rotation en faisant varier l'angle da calage de leurs pales. Dans l'état antérieur de la technique on a fait appel pour ce faire à des masselottes; une masselotte étant liée à une pale de façon telle que, sous l'action de la force centrifuge, elle entraîne en rotation la pale à laquelle elle est associée autour de son axe longitudinal modifiant ainsi son calage et en conséquence sa vitesse de rotation. Des moyens de synchronisation sont prévus de façon que toutes les pales de l'éolienne effectuent rigoureusement la même rotation. Le couple appliqué par chaque masselotte sur chaque pale est équilibré par un couple élastique antagoniste qui tend à ramener la pale vers une position de préréglage, ou position de calage initial. On a ainsi proposé dans le brevet FR-A-2 506 853 de faire appel, en tant que moyen de rappel élastique, à un simple ressort de compression qui applique une poussée sur une plaque qui s'oppose à une poussée inverse exercée sur cette même plaque par les masselottes de régulation via un jeu de biellettes ou de leviers qui, par ailleurs, assurent la synchronisation entre elles des pales. On a également proposé dans le brevet FR-A-2 817 298 de faire appel à un ressort en élastomère venant en appui sur une cloche guidée coaxialement par rapport à l'axe du rotor et munie d'une surface de rampe sur laquelle prennent appui des galets excentrés par rapport à l'axe de pivotement des pales. Les divers dispositifs d'amortissement proposés par l'état antérieur de la technique présentent l'inconvénient de la complexité, complexité se traduisant sur le plan pratique par un coût élevé, et une maintenance onéreuse et complexe. On a proposé, afin de simplifier les dispositifs de rappel, de disposer chaque pale dans le prolongement d'une barre de torsion. Une telle solution, si elle permet d'éviter les différentes complications dues aux systèmes de came et de leviers, présente cependant l'inconvénient de nécessiter une barre de torsion de longueur suffisante permettant de répartir dans celle-ci les contraintes de torsion sous peine d'arriver rapidement à sa mise hors service. Or on sait que le fait de reculer la position du pied de pale a pour conséquence de rendre plus difficile le démarrage de l'éolienne, dans la mesure où ce sont les sections les plus proches dudit pied de pale qui contribuent principalement au démarrage. Afin de permettre l'utilisation d'une barre de torsion suffisamment longue sans pour autant reculer le pied de pale, on a proposé de disposer celle-ci à l'intérieur de la pale elle-même. Une telle solution impose cependant de réaliser un pied de pale creux, avec pour conséquence de fragiliser une partie très sollicitée de l'éolienne. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant une éolienne pourvue d'un dispositif de régulation qui soit d'une construction simple et peu onéreuse ainsi que d'une maintenance facile, et qui pour autant ne constitue aucun compromis sur le plan de la fiabilité et de la sécurité de fonctionnement. La présente invention a ainsi pour objet une éolienne, notamment de type aérogénérateur, comportant un moyeu entraîné en rotation autour d'un axe par des pales perpendiculaires à ce dernier et solidaires d'arbres portepale montés à rotation sur le moyeu, chaque arbre porte-pale pouvant être entraîné en rotation par une masselotte, liée à celui-ci par un bras, lorsque cette masselotte est soumise à la force centrifuge et ceci à l'encontre de moyens de rappel, caractérisée en ce que les moyens de rappel sont constitués d'un sous-ensemble agissant en torsion qui comprend deux éléments mobiles en rotation l'un par rapport à l'autre, l'un de ces éléments étant solidaire en rotation d'un arbre porte-pale et l'autre élément étant solidaire en rotation du moyeu, ces deux éléments comprimant et déformant au moins un élément de compression élastique lorsque le sous-ensemble est soumis à un couple de torsion sous l'action d'une masselotte, Suivant l'invention l'une des extrémités d'au moins un arbre porte-pale est accessible au travers du moyeu sur lequel il est monté à rotation, cette extrémité recevant le sous-ensemble agissant en torsion. Suivant l'invention la liaison en rotation de l'arbre porte-pale avec le moyeu sera réalisée par l'intermédiaire d'une pièce de liaison amovible susceptible d'être réglable angulairement par rapport au moyeu. Le sous-ensemble agissant en torsion pourra être constitué d'une cage solidaire en rotation de l'arbre porte pale, cette cage comportant un logement recevant au moins un élément de compression et un organe compresseur solidaire en rotation du moyeu, de façon que toute rotation relative de cet organe par rapport à l'arbre porte pale assure la compression dudit élément de compression. Cette cage est montée libre en translation par rapport à l'arbre porte-pale. Préférentiellement la cage, l'élément de compression et l'organe compresseur seront de forme cylindrique, la section droite du logement et celle de l'organe compresseur pourront être de forme rectangulaire, les axes diagonaux de ce dernier étant confondus, en position de repos, avec les axes principaux du logement, quatre éléments de compression de section droite triangulaire étant disposés dans les volumes compris entre la face interne du logement et la surface externe de l'organe compresseur. Par ailleurs, les arbres porte-pale seront préférentiellement liés entre eux par des moyens de synchronisation et l'éolienne comportera des moyens de calage assurant, en position de repos, une immobilisation des pales, ces moyens de calages pouvant être constitués par la mise en contact des masselottes accrochées aux pales. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence 5 au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en perspective d'une éolienne suivant l'invention. La figure 2 est une vue partielle agrandie de l'éolienne représentée sur la figure 1. La figure 3 est une vue partielle agrandie du dispositif de régulation mis en oeuvre sur l'éolienne représentée sur les figures 1 et 2, en position de repos. La figure 4 est une vue du dispositif de régulation pour éolienne représenté sur la figure 3, en position de fonctionnement. La figure 5 est une vue en perspective éclatée du dispositif de régulation pour éolienne représenté sur les figures 3 et 4. La figure 6 est une vue en perspective éclatée des 20 moyens de rappel élastiques mis en oeuvre dans le système de régulation représenté sur les figures 3 à 5. Les figures 7a, 7b et 7c sont des vues en coupe transversale des moyens de rappel élastique représentés sur la figure 5 respectivement en position initiale, et après rotation des pales d'un angle a, et a2. Les figures 8a et 8b sont des vues en coupe transversale d'une première variante des moyens de rappel élastique, respectivement en position initiale et après rotation des pales d'un angle a. Les figures 9a et 9b sont des vues en coupe transversale d'une seconde variante des moyens de rappel élastique, respectivement en position initiale et après rotation des pales d'un angle a. On a représenté sur les figures une éolienne de type aérogénérateur qui est essentiellement constituée d'un corps 1 renfermant une génératrice électrique, non représentée sur le dessin, qui est fixé en extrémité d'un pylône de maintien 3 autour duquel l'éolienne à la possibilité de pivoter sur 360 . La partie antérieure du corps 1 comprend un moyeu 5, recouvert en position d'utilisation par un capot 6, qui est monté à rotation autour d'un axe longitudinal xx', et sur lequel sont montées deux pales diamétralement opposées respectivement 7a et 7b. La partie postérieure de l'éolienne comporte une "dérive" 9 permettant à l'éolienne de s'aligner en fonction du lit du vent. Le moyeu 5 est constitué d'un élément tubulaire de section droite rectangulaire dont deux parois opposées 5a et 5b sont pourvues de paliers ila et 11b qui assurent le maintien à rotation de deux arbres 13a et 13b en prolongation desquels sont respectivement disposées les pales 7a et 7b. Ces deux arbres 13a et 13b sont pourvus de pignons 15a et 15b qui sont en prise, si bien que la rotation de l'un des arbres entraîne une même rotation de l'autre. Des bras 17a et 17b, qui se terminent par des 5 masselottes 19a et 19b, sont solidarisés des arbres 13a et 13b perpendiculairement à ces derniers. On comprend que la rotation du moyeu 5 autour de son axe longitudinal xx' amène les deux masselottes 19a et 19b à s'éloigner l'une de l'autre en raison de la force centrifuge à laquelle elles sont soumises, cette rotation entraînant la rotation des pales 7a et 7b autour de leurs arbres respectifs 13a et 13b. Cette rotation des arbres 13a et 13b se fait à l'encontre de la résistance opposée par des moyens élastiques de rappel 21. Ces moyens élastiques sont représentés de façon détaillée sur les figures 5 à 8. Sur celles-ci les moyens élastiques de rappel 21 sont constitués d'une cage cylindrique 23 qui est destinée à prendre place dans un alésage 25 de forme et de dimensions correspondantes prévu en extrémité des arbres 13a et 13b. L'alésage 25 comporte des nervures longitudinales 26 qui coopèrent avec des rainures complémentaires 27 creusées sur la surface externe de la cage 23, si bien que celle-ci est solidaire en rotation mais libre en translation de l'arbre 13b. La cage 23 est traversée par une cavité 29 de section droite carrée dans laquelle vient se loger un organe compresseur 31 formé d'un élément tubulaire, également de section droite carrée dont les axes diagonaux sont disposés suivant les axes normaux uu' et vv' de la cavité 29 lorsque l'ensemble se trouve au repos ainsi que représenté sur la figure 7a Quatre éléments de compression 33 de forme cylindrique et de section droite triangulaire sont disposés dans chacun des volumes libres de section droite triangulaire existant aux quatre angles de la cavité 29. On comprend dans ces conditions que lorsque l'on exerce un couple de rotation C1 sur l'élément tubulaire 31 en le faisant tourner d'un angle al (figure 7b) on déforme par compression chacun des éléments de compression 33. Celui-ci est ainsi en mesure d'appliquer un couple de rappel élastique C1, C2, _Cn qui est fonction de l'angle al, a2, an dont on aura fait tourner l'organe compresseur 31 par rapport à la cage 23. On choisira bien entendu la nature du matériau constituant les éléments de compression 33 en fonction du module d'élasticité nécessaire pour fournir un couple Cn pour un angle de rotation an donné. Ce matériau peut notamment être constitué par un élastomère et plus précisément du caoutchouc. Dans le mode de mise en oeuvre de la présente invention décrit ici la liaison en rotation de l'organe compresseur 31 avec le moyeu 5 est assurée par un élément de réglage 34 qui est constitué d'un carré 35 qui prend place dans l'organe compresseur 31 et d'une patte perpendiculaire 37 qui comporte à ses extrémités des trous 38 permettant d'assurer sa fixation sur une face externe 5a du moyeu 5 ainsi que représenté sur les figures 3 et 4. Dans ces conditions le fonctionnement s'établit ainsi que mentionné ciaprès. Lorsque la vitesse du vent est suffisante, les pales 7a et 7b entraînent en rotation le moyeu 5 si bien que, en raison de la force centrifuge, les masselottes 19a et 19b s'écartent l'une et l'autre d'un angle a par rapport à leur position initiale (ainsi que représenté sur la figure 4) à l'encontre du couple de torsion de rappel Cn exercé sur chacun des arbres 13a et 13b par le dispositif élastique de rappel 21. En donnant, à partir de la position de repos dans laquelle les deux masselottes 19a et 19b sont en contact (figure 3), une certaine rotation à l'élément de réglage 34, on assure une pré-compression des éléments de compression 33 de façon que le pivotement des pales n'intervienne qu'à partir d'un certain couple Cp et donc à partir d'une certaine vitesse de rotation Vp du moyeu 5. On pourra, suivant l'invention prévoir des butées mécaniques définissant la position de calage initial des pales. Cette position pourra de façon simple, ainsi que représenté dans le présent mode de mise en luvre, être constituée par la simple mise en contact des masselottes 19a et 19b. La présente invention est particulièrement intéressante en ce que le couple de rappel en torsion est fourni sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des cames et/ou des leviers et sans que de surcroît cette simplification soit obtenue en repoussant le pied de pale. Enfin la solution mise en oeuvre applique un couple de torsion à l'aide d'éléments qui travaillent en compression, ce qui est plus satisfaisant sur le plan de la fiabilité. De plus les moyens de rappel sont très facilement interchangeables puisqu'il suffit après démontage de la patte 37 d'extraire de son logement le sous-ensemble 21 contenu dans la cage 23 pour le remplacer par un nouveau. Enfin le réglage de pré-compression est très facile à réaliser dans la mesure où il suffit de faire tourner plus ou moins la patte 37. On peut d'ailleurs prévoir des moyens divers permettant d'assurer un réglage progressif de cet angle de précompression. Bien entendu le dispositif suivant l'invention bien qu'ayant été décrit en regard d'un exemple d'une éolienne à deux pales pourra être utilisé sur des éoliennes comportant un nombre quelconque de pales. On peut également suivant l'invention et ainsi que représenté sur la figure 8a utiliser un dispositif élastique de rappel 21' qui ne met en uvre qu'un seul élément de compression 33'. On modifiera pour ce faire la forme à section carrée de l'organe compresseur 31 pour le remplacer par un barreau cylindrique 31' comportant un méplat 31" qui vient comprimer l'élément de compression 33' lors de la rotation, ainsi que représenté sur la figure 8b. On peut également, ainsi que représenté sur les figures 9a et 9b utiliser un dispositif élastique de rappel 21" qui 5 fait appel à trois éléments de compression 33". 13 REVENDICATIONS 1.- Eolienne, notamment de type aérogénérateur, comportant un moyeu (5) entraîné en rotation autour d'un axe (xx') par des pales (7a,7b) perpendiculaires à ce dernier et solidaires d'arbres porte-pale (13a, 13b) montés à rotation sur le moyeu (5), chaque arbre porte-pale (7a,7b) pouvant être entraîné en rotation par une masselotte (19a,19b), liée à celui-ci par un bras (17a,17b), lorsque cette masselotte (19a,19b) est soumise à la force centrifuge, et ceci à l'encontre de moyens de rappel (21), caractérisée en ce que les moyens de rappel sont constitués d'un sous-ensemble (21) agissant en torsion qui comprend deux éléments (23,31,31',31") mobiles en rotation l'un par rapport à l'autre, l'un de ces éléments (23) étant solidaire en rotation d'un arbre porte-pale (13a, 13b) et l'autre élément (31,31',31") étant solidaire en rotation du moyeu (5), ces deux éléments (23,31,31',31") comprimant et déformant au moins un élément de compression élastique (33,33',33") lorsque le sous-ensemble (21) est soumis à un couple de torsion sous l'action d'une masselotte (19a,19b). 2.- Eolienne suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le sousensemble (21) est disposé dans une cavité 25 (25) prévue dans l'arbre (13a,13b). 3.- Eolienne suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que l'une des extrémités d'au moins un arbre (13a,13b) porte-pale est accessible au travers du moyeu (5) sur lequel il est monté à rotation, cette extrémité recevant le sous-ensemble agissant en torsion (21). 4.- Eolienne suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la liaison en rotation de l'arbre porte-pale (13a,13b) avec le moyeu (5) est réalisée par l'intermédiaire d'une pièce de liaison amovible (34). 5.- Eolienne suivant la revendication 4 caractérisée en ce que la pièce de liaison (34) est réglable angulairement par rapport au moyeu (5). 6.- Eolienne suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le sous-ensemble agissant en torsion (21) est constitué d'une cage (23) solidaire en rotation de l'arbre portepale (13a,13b), cette cage (23) comportant un logement (29) recevant au moins un élément de compression (33,33',33") et un organe compresseur (31, 31',31") solidaire en rotation du moyeu (5), de façon que toute rotation relative de cet organe par rapport à l'arbre porte-pale (13a,13b) assure la compression dudit élément de compression (33,33',33") 7.- Éolienne suivant la revendication 6 caractérisée en 25 ce que la cage (23) est montée libre en translation par rapport à l'arbre porte-pale (13a,13b). 8.- Eolienne suivant la revendication 7 caractérisée en ce que la cage (23), l'élément de compression (33, 33' , 33" ) et l'organe compresseur (31) sont de forme cylindrique. 9.- Eolienne suivant la revendication 8 caractérisée en ce que la section droite du logement (29) et celle de l'organe compresseur (31) sont de forme rectangulaire, les axes diagonaux de ce dernier étant confondus, en position de repos, avec les axes principaux (uu',vv')du logement (29), quatre éléments de compression (33) de section droite triangulaire étant disposés dans les volumes compris entre la face interne du logement (29) et la surface externe de l'organe compresseur (31). 10.- Eolienne suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les arbres porte-pale (13a,13b) sont liés entre eux par des moyens de synchronisation (15a,15b). 11.- Eolienne suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de calage initial assurant, en position de repos, une immobilisation des pales. 12. Eolienne suivant la revendication 11 caractérisée en ce que les moyens de calage initial sont constitués par la mise en contact des masselottes (19a,19b) solidaires des arbres porte-pale.