Brevet FR2929345A1 — publié le 20091002

DISPOSITIF DE ROULEMENT POUR NACELLE D'EOLIENNE La présente invention concerne une nacelle d'éolienne. Celle-ci concerne donc tout particulièrement le domaine de l'éolien. L'invention trouvera donc son application chez les fournisseurs et exploitants d'énergies renouvelables et chez les installateurs de parcs d'éoliens tant sur la terre ferme qu'en pleine mer dit � offshore �. La nacelle d'éolienne selon l'invention sera mise en oeuvre chez les fabricants d'éoliens voire, plus généralement, chez les métallurgistes et/ou les 10 entreprises de mécano soudures. Les éoliennes se composent notamment d'une tour, encore appelée mât, d'une nacelle agencée à l'extrémité supérieure de la tour, de pales et d'un alternateur, lesdites pales permettant, sous l'action du vent, l'entraînement du rotor de l'alternateur pour générer un courant. Les pales et l'alternateur sont 15 agencés sur la nacelle, laquelle intègre également d'autres éléments constitutifs de l'éolienne, notamment un système de freinage des pales, un multiplicateur de vitesse. Parmi les éoliennes, on distingue les éoliennes à attaque directe ; les éoliennes à attaque directe sont constituées de pales disposées dans un plan plus ou moins 20 vertical et agencées pour être exposées directement face à la trajectoire du vent. Pour cela, l'éolienne est équipée d'un anémomètre pour le contrôle de la trajectoire du vent et d'un système d'orientation de la nacelle permettant de modifier l'exposition des pales selon la mesure effectuée par l'anémomètre. Selon l'art antérieur connu, la nacelle comprend une base et une tête 25 solidaire de la base. Cette tête intègre l'alternateur et les autres éléments constitutifs de l'éolienne, tel que précisé ci-dessus. En outre, elle reçoit en rotation un moyeu, solidaire du rotor de l'alternateur, sur lequel sont réparties les pales. Par ailleurs, la base est montée en rotation sur l'extrémité supérieure de la tour. Ce montage en rotation est réalisé au moyen d'un palier disposé à plat sur 30 l'extrémité supérieure de la tour, ce palier recevant ladite base de la nacelle. Ce palier est, par exemple, du type couronne d'orientation à billes capable de supporter des charges combinées exercées par la nacelle reposant sur l'extrémité supérieure de la tour. Cette couronne d'orientation permet la rotation de la nacelle suivant un axe vertical correspondant à l'axe vertical de la tour. En outre, le système d'orientation de la nacelle sur la tour est agencé entre l'extrémité supérieure de ladite tour et la base de la nacelle, laquelle intègre les éléments constitutifs du système d'orientation. Une telle conception d'éolienne présente pour inconvénient de nécessiter une excellente planéité de l'extrémité supérieure de la tour destinée à recevoir la couronne ainsi que de la base de la nacelle, entre lesquelles se situe la couronne à billes. La présente invention a pour objet de pallier cet inconvénient et de mieux s'adapter au chargement en porte à faux consécutif à la masse de l'alternateur à attaque directe. A ce titre, l'invention concerne une nacelle d'éolienne agencée pour être assemblée sur l'extrémité supérieure d'une tour et pour supporter les éléments constitutifs de ladite éolienne, notamment un alternateur et des pales montées en rotation et entraînant le rotor de l'alternateur. La nacelle comprend un corps constitué d'une base apte à être fixée sur l'extrémité supérieure de la tour. En outre, ce corps comprend également une chambre tubulaire prolongeant vers le haut, selon un axe vertical, ladite base. La nacelle comprend également une tête constituée d'une cavité et d'une virole. La cavité est agencée pour le montage rotatif des pales selon un axe défini plus ou moins horizontalement et pour la réception de l'alternateur. La virole est solidaire de la cavité et agencée selon un axe vertical pour être montée à pivotement sur la chambre tubulaire du corps. En outre, la nacelle comprend des moyens de liaison pivot agencés entre la virole et la chambre tubulaire, ces moyens de liaison pivot permettant le montage à pivotement de la tête sur le corps. Une telle conception permet de s'affranchir des inconvénients des nacelles de l'art antérieur, à savoir de mettre en oeuvre une tour comprenant une excellente planéité à son extrémité afin de recevoir ladite nacelle. Par ailleurs, la conception de la nacelle selon l'invention présente pour avantage de permettre la répartition des efforts directement sur la nacelle entre la virole et la chambre tubulaire. Un autre aspect de la présente invention concerne une éolienne comprenant une tour s'étendant verticalement, une nacelle d'éolienne selon l'invention, des pales et un alternateur agencés au niveau de la cavité de la tête, la base du corps étant fixée sur l'extrémité supérieure de la tour. Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode préférentiel de conception de la nacelle, laquelle s'appuie sur des figures, parmi lesquelles : la figure 1 représente en perspective un mode de conception préférentiel de la nacelle d'éolienne selon l'invention ; - la figure 2 représente en coupe les éléments constitutifs de la nacelle ; - la figure 3 représente une éolienne équipée de la nacelle selon l'invention. Telle qu'illustrée à la figure 1, la nacelle d'éolienne 1 selon l'invention comprend un corps 3 et une tête 5. Le corps est constitué d'une base 7 et d'une chambre tubulaire 9 prolongeant vers le haut selon un axe vertical X1 ladite base 7. La tête 5 est constituée d'une cavité 11 et d'une virole 13. La virole 13 est solidaire de la cavité 11, ladite virole étant agencée selon un axe vertical pour être monté à pivotement sur la chambre tubulaire 9 du corps 3. Pour cela, la virole 13 comprend un diamètre interne D1 et la chambre tubulaire comprend un diamètre externe D2, le diamètre interne D1 étant supérieur au diamètre externe D2, ce qui permet d'insérer la virole sur la chambre tubulaire. En outre, la nacelle comprend des moyens de liaison pivot agencés entre la virole 13 et la chambre tubulaire 9, ces moyens de liaison pivot permettant de monter à pivotement la tête 5 sur le corps 3. Ces moyens de liaison pivot sont constitués par deux paliers 15,17 agencés entre le diamètre interne D1 de la virole 13 et le diamètre externe D2 de la chambre tubulaire 9. Ces deux paliers 15,17 sont conçus pour supporter des charges radiales exercées par la virole sur la chambre tubulaire. De telles charges radiales sont occasionnées entre autre par la rotation des pales de l'éolienne, et par la poussée exercée par le vent sur lesdites pales. Ces paliers 15,17 sont agencés à l'extrémité interne supérieure 19 et à l'extrémité inférieure 21 de la virole 13, tel que cela est illustré sur la figure 2. En outre, le palier 17 agencé à l'extrémité supérieure 19 est constitué d'un palier à patin de freinage, lequel a pour fonction de ralentir et freiner la tête 5 de la nacelle par rapport au corps 3 lors de sa rotation. En outre, le palier 15 agencé à l'extrémité inférieure 21 est constitué d'un palier à roulement reprenant un chargement axial et radial. L'agencement des paliers aux extrémités supérieure et inférieure de la virole 13 permet une répartition optimale de la charge. De manière préférentielle, le palier à roulement 15 est constitué d'un roulement à rouleaux coniques ou sphériques. Telle qu'illustrée sur les figures 1 et2, la nacelle 1 comprend un système d'orientation permettant de réaliser la rotation de la tête 5 par rapport au corps 3. Ce système d'orientation est agencé entre la base 7 du corps et l'extrémité inférieure de la virole 13. Celui-ci comprend de préférence deux moteurs 23,25 répartis symétriquement sur la base 7, tel qu'illustré sur la figure 2. Ces moteurs 23,25 sont, de préférence, intégrés en partie à l'intérieur de la base 7. Ces moteurs 23,25 engrènent sur une couronne externe 27 agencée à l'extrémité inférieure de la virole 13. On peut toutefois prévoir un seul moteur 26, tel qu'illustré sur la figure 3, agencé à l'intérieur de la chambre tubulaire 9 et engrenant sur une couronne interne 28 agencée sur la virole 13. Par ailleurs, le nombre de moteurs peut être supérieur à deux, en fonction des dimensions et de la puissance de l'éolienne ; dans ce cas, les moteurs sont répartis uniformément autour de la virole 13. De manière préférentielle et non limitative, la base 7 du corps 3 comprend une forme bombée, ou en corolle. De même, la cavité 11 de la tête 5 comprend une forme bombée, ou d'une corolle. Cette forme de fond bombée permet notamment de faciliter l'intégration des éléments constitutifs de l'éolienne tel que cela sera décrit ci-après. En outre, la tête 5 comprend des pièces de renfort 29 agencées entre la cavité 11 et la virole 13, tel qu'illustré aux figures 1 et 2. Ces pièces de renfort 29 sont réparties uniformément de chaque côté de la virole et soudées entre la face externe de cette virole et la face arrière 31 de la cavité 11. De telles pièces de renforts ont pour fonction de renforcer la structure de ladite tête 5 soumise à des contraintes importantes lors de la rotation des pales de l'éolienne. Telle qu'illustrée sur les figures 1 à 3, la chambre tubulaire 9 du corps 3 comprend une lumière 33. De même, la virole 13 comprend une lumière 35 dont les formes et le positionnement sont sensiblement identiques à celui de la lumière sur la chambre tubulaire 9. Ainsi, lors de la rotation de la virole 13 sur la chambre tubulaire 9, les deux lumières 33,35 sont aptes à correspondre l'une avec l'autre, ce qui présente pour fonction de permettre l'accès à l'intérieur 37 de la chambre tubulaire, laquelle est susceptible de contenir des éléments constitutif de l'éolienne, tels que la motorisation du système d'orientation, une armoire électrique ou un automate de gestion desdits éléments de l'éolienne. De manière préférentielle et non limitative, la portion commune de la face arrière 31 de la cavité 11, en contact avec la virole 13, comprend une ouverture 38, illustrée en figures 1 et 2, permettant un accès à l'intérieur de ladite cavité 11 depuis l'intérieur de ladite virole 13, pour les opérations de maintenance sur l'alternateur et sur le moyeu supportant les pales de l'éolienne, lesdits éléments étant décrits ci-après. L'opérateur pénètre dans un premier temps à l'intérieur 37 de la chambre tubulaire 9 tel que précisé ci-dessus ; puis, par une rotation d'un demi-tour, par exemple, de la tête 5 par rapport au corps 3, fait correspondre la lumière 33 de la chambre tubulaire 9 avec l'ouverture 38 sur la cavité 11, ce qui permet audit opérateur situé dans la chambre tubulaire 9 d'accéder à ladite ouverture 38. En outre, la nacelle comprend de préférence une échelle implantée à l'intérieur 37 de la chambre tubulaire 9 pour accéder à un niveau supérieur, tel que décrit ci-après, en passant par l'extrémité supérieure de ladite chambre tubulaire 9. La nacelle comprend une cabine 39, illustrée en figure 3, cette cabine étant solidaire de la virole 13 et s'étendant à l'opposé de la cavité 11, fixée à la virole 13. Cette cabine 39 communique avec la lumière sur la virole. Elle a entre autre pour fonction de permettre la réception des éléments constitutifs de l'éolienne et de permettre l'accès aux personnes notamment pour les opérations de maintenance. Cette cabine 39 comprend, de préférence, un plancher inférieur 40a et un plancher supérieur 40b, illustrés en figure 3. Le plancher inférieur 40a est, par exemple, agencé au niveau de l'extrémité inférieure de la virole 13. Le plancher supérieur 40b est, par exemple, agencé au niveau de l'extrémité supérieure de la chambre tubulaire et il est muni d'une ouverture communiquant avec ladite'extrémité supérieure de la chambre tubulaire, de manière à accéder à l'intérieur 37 de celle-ci. La figure 3 illustre une éolienne 41 constituée d'une nacelle 1 selon l'invention. Cette éolienne comprend une tour 43, encore appelée mât, s'étendant verticalement, la hauteur de la tour dépendant essentiellement de la puissance de l'éolienne et des pales agencées sur celle-ci. A ce sujet, la figure 3 illustre les pales 45, de préférence au nombre de trois, qui sont agencées sur un moyeu 47 présentant un nez fuselé. L'éolienne comprend un alternateur 49 permettant de générer un courant alternatif. L'alternateur est intégré à l'intérieur du moyeu 47 et fixé en rotation à l'intérieur de la cavité 11 de la tête 5 de la nacelle, tel qu'illustré sur la figure 3. En outre, le moyeu 47 est solidaire du rotor de l'alternateur 49, la rotation des pales et du moyeu générée par l'action du vent permet donc d'entraîner la rotation du rotor de l'alternateur et de générer un courant électrique. Le diamètre de la cavité 11 est donc dimensionné en fonction du diamètre de l'alternateur 49 et du diamètre des éléments du moyeu 47, selon les éléments que ladite cavite supporte et selon la conception de l'alternateur. A ce titre, on choisira de préférence un alternateur composé d'un rotor externe entourant symétriquement le stator. L'assemblage du moyeu supportant les pales et de l'alternateur sur la cavité permet un montage en rotation entre ces éléments selon un axe défini plus ou moins horizontalement. La base 7 du corps 3 présente un diamètre à son extrémité correspondant au diamètre de l'extrémité supérieure 51 de la tour 43. Cette base repose sur l'extrémité supérieure de la tour et elle est fixée avec celle-ci. La fixation est réalisée, de manière préférentielle et non limitative, par bridage 53 entre ces deux éléments. L'éolienne 1 comprend d'autres éléments, que l'on retrouve également sur les éoliennes de l'art antérieur, à savoir un anémomètre 55 fixé sur la cabine 39 agencée sur la nacelle 1, tel que décrit précédemment. L'anémomètre est fixé en partie supérieure arrière de ladite cabine 39. Cet anémomètre 55 permet la mesure du vent et l'orientation de celui-ci. Cet anémomètre est relié à un automate 57 gérant entre autre le système d'orientation en agissant sur les moteurs pour permettre la rotation de la tête 5 par rapport au corps 3, de manière à modifier la position des pales 45 et de les disposer face au vent. D'autres éléments ou accessoires sont intégrés dans la cabine 39, tels que les convertisseurs de puissance et les centrales de refroidissement 58. Ces divers éléments ou accessoires, par exemple, agencés sur les planchers inférieur 40a et supérieur 40b, ou sur les parois internes 59,60 de ladite cabine 39. On comprend que la fixation de la base de la nacelle sur l'extrémité supérieure de la tour permet de supprimer les exigences de planéité requises précédemment sur les tours des éoliennes de l'art antérieur sur lesquelles la base est mobile par rapport à ladite tour. En outre, les caractéristiques techniques décrites pour le mode préférentiel de conception de la nacelle 1 et de l'éolienne 41 équipée d'une telle nacelle 1, restent applicables à toute variante de conception de celle-ci, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Nacelle d'éolienne (1) agencée pour être assemblée sur l'extrémité supérieure d'une tour (43) et pour supporter les éléments constitutifs de ladite éolienne, à savoir au moins des pales (45) et un alternateur (49), caractérisée en ce qu'elle comprend : a) un corps (3) constitué d'une base (7) apte à être fixée sur ladite extrémité supérieure (51) de la tour et d'une chambre tubulaire (9) prolongeant vers le haut selon un axe vertical ladite base ; b) une tête (5) constituée d'une cavité (11) et d'une virole (13), ladite cavité étant agencée notamment pour le montage rotatif des pales (45) selon un axe plus ou moins horizontal et pour la réception de l'alternateur (49), ladite virole étant solidaire de la cavité et agencée selon un axe vertical pour être montée à pivotement sur la chambre tubulaire ; c) et des moyens de liaison (15,17) pivot, agencés entre la virole (13) et la chambre tubulaire (9), permettant le montage à pivotement de la tête (5) sur le corps (3). 2. Nacelle d'éolienne (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la virole (13) comprend un diamètre interne D1 et la chambre tubulaire (9) comprend un diamètre externe D2, les moyens de liaison pivot étant constitués par deux paliers (15,17) agencés entre ledit diamètre interne D1 et ledit diamètre externe D2. 3. Nacelle d'éolienne (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les paliers (15,17) sont agencés aux extrémités internes supérieure (19) et inférieure (21) de la virole (13). 4. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que l'un (15) des paliers est à roulement et l'autre (17) est à patin de freinage. 5. Nacelle d'éolienne (1) selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que le palier à roulement (15) est agencé à l'extrémité interne inférieure(21) de la virole et le palier à patin de freinage (17) est agencé à l'extrémité interne supérieure (19) de la virole. 6. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'orientation (23, 25, 27) agencé entre la base (7) et l'extrémité inférieure de la virole (13) pour entraîner la rotation de la tête (5) par rapport au corps (3). 7. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la base (7) du corps et la cavité (11) de la tête présente une forme bombée. 8. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications précédente, caractérisée en ce que la tête (5) comprend des pièces de renfort (29) agencées entre la cavité (11) et la virole (13). 9. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre tubulaire (9) et la virole (13) comprennent chacune une lumière (33,35), lesdites lumières étant aptes à correspondre selon l'orientation de ladite virole (13) par rapport à ladite chambre tubulaire (9). 10. Nacelle d'éolienne (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la portion commune entre face arrière (31) de la cavité (11) et la virole (13) comprend une ouverture (38) apte à correspondre avec la lumière (33) de la chambre tubulaire (9) selon l'orientation de la virole (13) par rapport à ladite chambre tubulaire (9). 11. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la nacelle comprend une échelle agencée à l'intérieur (37) de la chambre tubulaire (9). 12. Nacelle d'éolienne (1) selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une cabine (39) solidaire de la virole (13) de la tête, ladite cabine communiquant avec la lumière (35) sur ladite virole. 13. Nacelle d'éolienne (1) selon la revendication 12, caractérisée en ce que la cabine comprend un plancher inférieur (40a) et un plancher supérieur (40b). 14. Eolienne (41) comprenant au moins une tour (43) s'étendant verticalement, une nacelle (1) selon l'une des revendications 1 à 10, des pales (45) et un alternateur (49) agencés au niveau de la cavité (11) de la tête, la base (7) du corps étant fixée sur l'extrémité supérieure (51) de la tour. 15.Eolienne (41) selon la revendication 11, caractérisée en ce que la fixation de la base (7) du corps sur l'extrémité supérieure (51) de la tour est réalisée par bridage (53) entre lesdits éléments.