Brevet FR2985291A1 — publié le 20130705

Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de régulation et de limitation du couple d'un turbogénérateur à rotor à réaction du type éolienne à axe vertical, ledit rotor pouvant être muni de pales à incidence variable. La présente invention trouve notamment son application à la fourniture d'électricité, au pompage de l'eau par exemple. Technique antérieure De nos jours, l'énergie éolienne apparaît comme une alternative importante aux sources traditionnelles d'énergie compte tenue notamment de la raréfaction prévue des énergies fossiles. En effet, contrairement à ces sources traditionnelles, elle est renouvelable et non polluante en terme d'émission gazeuse et de rejet dans l'atmosphère ou sur terre. Le développement de cette énergie s'est par conséquent récemment accéléré. On classe généralement les éoliennes dans deux 20 grandes familles : les éoliennes à axe vertical, et les éoliennes à axe horizontal. L'éolienne à axe horizontal est probablement le type d'éolienne le plus connu et le plus répandu. Toutefois, ce type d'éolienne s'avère avoir un rendement faible et pour 25 que la production d'électricité soit rentable avec une puissance fournie suffisante, il est nécessaire d'avoir un champ éolien comportant un nombre élevé d'éoliennes et que les éoliennes soient de dimensions importantes. Un inconvénient important est qu'une éolienne à axe horizontal 30 est unidirectionnelle. Elle nécessite donc un dispositif d'orientation, avec un moteur, de façon à modifier cette orientation en fonction de la direction du vent. De plus, BOISM1-FR-1_TOCTE DEPOSE_RG/GE - 2 pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. En effet, l'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur de ses pales alors 5 que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi, pour des raisons évidentes de résistance des matériaux, plus les pales sont longues plus 10 il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. L'éolienne à axe vertical est restée jusqu'à ce jour beaucoup moins répandue. Toutefois, de nombreux modèles d'éolienne à axe vertical construits sont du type 15 "Darrieus" du nom de leur inventeur. L'éolienne du type Darrieus repose sur l'effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent apparent (effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion). De manière classique, l'éolienne du type Darrieus comporte un 20 axe central et au moins deux pales chacune en forme d'aile droite et disposées de part et d'autre de l'axe central de sorte à former un rotor cylindrique. Les éoliennes à axe vertical présentent notamment, par rapport aux éoliennes à axe horizontal, l'avantage de 25 permettre une maintenance plus facile, puisque tous les moteurs sont au sol, ou à proximité du sol. Par ailleurs, à puissance égale, la nuisance sonore est réduite. De plus, ce type d'éolienne est omnidirectionnel et ne nécessite donc pas d'électronique de contrôle de son orientation. 30 Toutefois, comme encore la hauteur de l'éolienne a une influence sur la puissance, pour des raisons évidentes de résistance des matériaux, plus les pales sont longues plus il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort et donc lorsque le couple transmis à BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE ladite éolienne est trop important. Exposé de l'invention Ainsi, c'est l'objet de la présente invention que de proposer un dispositif permettant de réguler et de limiter le couple transmis à un turbogénérateur à rotor à réaction du type une éolienne à axe vertical, lorsque le vent atteint une valeur déterminée, afin de limiter la vitesse de rotation dudit rotor. Ainsi en limitant le couple transmis, on limite les efforts transmis à la structure de l'éolienne. Cette configuration permet de réaliser une structure légère, économique et pérenne quelque soit les conditions de vent. En outre, le dispositif de régulation et de limitation de couple selon l'invention est particulièrement simple, économique et de maintenance aisée à réaliser, et ne nécessite pas d'électronique. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif limiteur de couple pour turbogénérateur à rotor à réaction, dont le rotor est apte à pivoter autour d'un axe de rotation et comporte un mât central, au moins deux pales montées chacune pivotante sur au moins une embase solidaire dudit mât central, remarquable en ce qu'il comporte, pour chacune des pales, un organe de rappel permettant, d'une part, de maintenir la pale associée dans une position correspondant à une incidence déterminée lorsque que la vitesse du vent en utilisation est inférieure à une vitesse maximale autorisée déterminée et, d'autre part, d'autoriser le pivotement de ladite pale sous l'action du vent pour provoquer son décrochage pouvant aller jusqu'à placer la pale dans le lit du vent, lorsque le vent atteint ladite vitesse maximale autorisée puis de ramener ladite pale, lorsque la vitesse du vent redevient inférieure à ladite vitesse maximale autorisée, dans ladite position correspondant à une incidence déterminée. BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE - 4 De manière avantageuse, chaque organe de rappel comporte un élément de rappel, une tige solidaire de la pale associée et un câble reliant ledit élément de rappel et ladite tige. Chaque tige est de préférence fixée sur la pale de préférence perpendiculairement à l'axe longitudinal de la section transversale de ladite pale. Selon un mode de réalisation préféré, l'élément de rappel est du type un contrepoids apte à coulisser à 10 l'intérieur du mât central. Selon un autre mode de réalisation, l'élément de rappel est un ressort hélicoïdal de traction ou de compression. Selon un dernier mode de réalisation, chaque organe 15 de rappel est un ressort de torsion, avantageusement hélicoïdal, dont l'une des extrémités est fixée sur l'embase associée à la pale, l'autre extrémité étant fixée sur ladite pale. La présente invention a ainsi pour objet un 20 turbogénérateur à rotor à réaction remarquable en ce qu'il comporte un dispositif limiteur de couple selon l'invention. Description sommaire des figures 25 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d'une variante d'exécution d'un turbogénérateur à rotor à réaction selon l'invention en référence aux figures annexées sur lesquelles : 30 - la figure 1 est une vue de face d'une éolienne à axe vertical munie d'un dispositif limiteur de couple selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus de l'éolienne de la figure 1 ; BOISM1-FR-1 TEXTE DEPOSE_RG/GE - 5 - la figure 3 est une vue de dessus détaillée et agrandie d'une des pales de l'éolienne de la figure 1 dans une première position ; - la figure 4 est une vue de dessus détaillée et 5 agrandie de la pale de la figure 3 dans une deuxième position. Meilleure manière de réaliser l'invention technique On décrira, dans ce mode d'exécution non limitatif, 10 un turbogénérateur à rotor à réaction du type éolienne à axe vertical munie du dispositif limiteur de couple selon l'invention et de trois pales décalées angulaires de 120° les unes par rapport aux autres. Toutefois, le turbogénérateur pourra évidemment être muni de deux, quatre 15 ou plus de pales et pourra être employé comme éolienne à axe horizontal ou comme hydrolienne à axe horizontal ou vertical. Dans le cas d'une éolienne à axe horizontal, les termes horizontal et vertical seront alors à adapter. Ainsi, on a représenté sur les figures 1 à 4 un 20 turbogénérateur 1 à rotor 2 à réaction du type éolienne à axe vertical dont le rotor 2 comporte un mât central 3 vertical, trois pales 4 montées chacune pivotante sur au moins une embase 5 solidaire dudit mât central 3, ledit rotor étant apte à pivoter à une vitesse W autour d'un 25 axe 6 de rotation vertical par rapport à un support 7 rigide et sensiblement plan et horizontal. En référence à la figure 3, les pales 4 sont de préférence des ailes rectangulaires dont la section transversale est, par exemple, de type NACA. Les profils 30 NACA ont des formes d'ailes d'avions mis au point par le Comité consultatif national de l'aéronautique (National Advisory Committee for Aeronautics : NACA). La forme des profils NACA est décrite en utilisant une série de chiffres après le mot « NACA ». BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE L'éolienne 1 comprend trois pales 4 décalées angulairement les uns par rapport aux autres de 120°. Chaque pale 4 comprend un bord d'attaque 41 et un bord de fuite 42, et est montée pivotante autour d'un axe vertical 43 sur deux embases 5 superposées de sorte que chaque pale 4 soit placée entre les deux embases 5. L'axe vertical 43 de rotation de chaque pale 4 est de préférence situé à proximité de leur centre de poussée de sorte que la pale 4 reste stable dans le lit du vent. On désigne ici par une pale dans le lit du vent la position dans laquelle ladite pale est placée de sorte que l'axe longitudinal de sa section transversale est parallèle à la direction du vent réel Vr. Chaque embase 5 est avantageusement en forme générale d'étoile à trois bras 51, chacun des bras 51 recevant à son extrémité libre une pale 4. En outre, Chaque embase 5 est solidaire du mât central 3 qui est apte à pivoter par rapport au support 7 autour de l'axe 6 vertical. Pour ce faire, l'éolienne 1 comporte un pivot 8 reliant l'embase 5 et le support 7. Ainsi, l'axe vertical 43 de rotation de chaque pale 4 parcourt un cercle lors de la rotation des embases 5. Par ailleurs, chaque pale 4 sera de préférence orientée de sorte que l'axe longitudinal de sa section transversale forme avec la tangente dudit cercle parcouru un angle plus ou moins grand, nommé incidence. De manière connue, pour augmenter le rendement de l'éolienne 1, on peut modifier l'incidence des différentes pales 4. En effet, il est connu que l'incidence d'une pale 4 a une influence sur le rendement de ladite pale 4. Toutefois, il est nécessaire de bien choisir la valeur de l'incidence. En effet, l'incidence a également une influence sur la portance et la traînée de la pale 4. Ainsi, une grande incidence (de l'ordre de 14 degrés) BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE - 7 permet d'obtenir un effort de portance important et donc une force de propulsion importante, mais génère également une traînée importante et donc une dégradation des qualités aérodynamique de la pale 4. A l'inverse, une faible incidence (de l'ordre de quelques degrés) permet d'obtenir une faible traînée et donc de bonnes qualités aérodynamique de la pale 4, mais génère également un effort de portance faible et donc un rendement de la pale 4 faible. De plus, une incidence trop élevée peut engendrer le décrochage de la pale 4 qui correspond au moment où la portance n'augmente plus et chute plus ou moins brutalement, et où la traînée augmente fortement. On réglera de préférence l'incidence des pales 4 à 6 degrés, cette valeur d'incidence est a priori le meilleur compromis entre portance et traînée. Toutefois, cette incidence pourra être constante ou variable le long du cercle parcouru par l'axe vertical 43 de rotation de chaque pale 4. L'éolienne 1 comporte en outre un dispositif limiteur de couple 10 comportant, pour chacune de ses pales 4, un organe de rappel 11 permettant, d'une part, de maintenir la pale 4 associée dans une position correspondant à une incidence déterminée lorsque que la vitesse du vent Vr est inférieure à une vitesse maximale autorisée déterminée et, d'autre part, d'autoriser le pivotement de ladite pale 4 sous l'action du vent Vr pour provoquer son décrochage pouvant aller jusqu'à placer la pale 4 dans le lit du vent Vr, lorsque le vent Vr atteint et dépasse ladite vitesse maximale autorisée. Dans cette position où chaque pale 4 est placée dans le lit du vent Vr, le couple transmis, les efforts de pression et les contraintes sur les pales 4 et donc sur l'éolienne 1 diminuent. Ensuite, l'organe de rappel est apte à ramener ladite pale 4 associée, lorsque la vitesse du vent Vr redevient inférieure à ladite vitesse BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE maximale autorisée, dans la position initiale correspondant à une incidence déterminée. Pour ce faire, en référence aux figures 1, 3 et 4, chaque organe de rappel 11 comporte un élément de rappel 12 5 du type un contrepoids apte à coulisser à l'intérieur du mât central 3, une tige 13 solidaire de la pale 4 associé et un câble 14 reliant ledit contrepoids 12 et ladite tige 13, cette dernière étant fixée sur la pale 4 de préférence perpendiculairement à l'axe longitudinal de sa 10 section transversale de ladite pale 4. Ainsi, lorsque la vitesse du vent Vr ne dépasse pas la valeur déterminée, la pale 4 reste dans sa position initiale sous l'action du contrepoids 12 qui maintient en position par gravité la pale 4 grâce au câble 14. En revanche, lorsque la vitesse 15 du vent Vr dépasse la valeur déterminée, l'effet du vent Vr sur la pale 4 est plus important que le poids dudit contrepoids 12, la pale 4 pivote alors autour de son axe vertical 43 de rotation pour décrocher et se placer dans le lit du vent Vr. 20 Pour faciliter le rappel en position de la pale 4, chaque dispositif limiteur de couple 10 comprend également deux renvois 15 de préférence fixés sur le bras 41 d'une des embases 5 à proximité de la pale 4. On comprend bien que ces dispositifs limiteur de 25 couple 10, qui sont de conception particulièrement simple, ne nécessitent pas de composants électroniques onéreux et sont de maintenance aisée, ils sont donc économiques à mettre en oeuvre et à entretenir. En outre, le pivotement des pales 4 sous l'action du vent Vr ou l'action de 30 l'organe de rappel 11 se fait en continu, sans à-coups. De même, on comprend bien que la masse de chaque contrepoids 12 sera déterminée en fonction de la vitesse du vent Vr maximale à laquelle on veut faire tourner l'éolienne 1. Cette masse sera donc également fonction de BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE - 9 la structure de ladite éolienne 1 et/ou de son site d'installation. Description d'autres modes de réalisation Selon un deuxième mode de réalisation non représenté, la tige 13 de chaque organe de rappel 11 du dispositif limiteur de couple 10 est remplacée par une roue à gorge solidaire de la pale 4 associée. Le câble 14 est fixé à une de ses extrémités dans la gorge de ladite roue et s'enroule autour de la roue dans la gorge lorsque la pale 4 pivote sous l'action du vent Vr pour provoquer son décrochage pouvant aller jusqu'à placer la pale 4 dans le lit du vent Vr. Dans cette configuration, le rayon de la roue joignant le centre de la roue au point de fixation du câble 14 correspond à la tige 13 du mode de réalisation décrit précédemment. Par ailleurs, cette configuration permet un maintien du câble 14, notamment lors du pivotement de la pale 4, évitant ainsi les à-coups. Selon un troisième mode de réalisation non représenté, l'élément de rappel 12 de chaque organe de rappel 11 du dispositif limiteur de couple 10 est un ressort hélicoïdal de traction ou de compression dont l'une des extrémités est fixée sur le mât central 3 ou le bras 51 de l'embase 5 associé à la pale 4. L'autre extrémité dudit ressort hélicoïdal est fixée au câble 14 ou directement à la tige 13. Ledit ressort hélicoïdal sera taré en fonction de la vitesse de vent Vr maximale autorisée pour le fonctionnement de l'éolienne 1. Enfin, selon un quatrième mode de réalisation non représenté, chaque organe de rappel 11 du dispositif limiteur de couple 10 est un ressort de torsion, avantageusement hélicoïdal, dont l'une des extrémités est fixée sur le bras 51 de l'embase 5 associé à la pale 4, l'autre extrémité étant fixée sur ladite pale 4. Pour ce BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE - 10 - troisième mode de réalisation, ledit ressort de torsion sera également taré en fonction de la vitesse de vent Vr maximale autorisée pour le fonctionnement de l'éolienne 1. Ces deux derniers modes de réalisation sont 5 particulièrement intéressants pour des éoliennes 1 à axe horizontal. Possibilité d'application industrielle Comme décrit précédemment, le dispositif limiteur de 10 couple 10 selon l'invention est principalement destiné à être utilisé sur un turbogénérateur du type éolienne 1 à axe vertical, mais il peut également être installé sur une éolienne à axe horizontal ou bien être utilisé comme hydrolienne d'axe vertical ou horizontal placé dans des 15 courants d'eau. Enfin, il est clair que la présente invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif limiteur de couple 10 ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application 20 respectant le même principe. BOISM1-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE REVENDICATIONS1 - Dispositif limiteur de couple (10) pour turbogénérateur (1) à rotor (2) à réaction, dont le rotor (2) est apte à pivoter autour d'un axe (6) de rotation et comporte un mât central (3), au moins deux pales (4) montées chacune pivotante sur au moins une embase (5) solidaire dudit mât central (3), caractérisé en ce qu'il comporte, pour chacune des pales (4), un organe de rappel (11) permettant, d'une part, de maintenir la pale (4) associée dans une position correspondant à une incidence déterminée lorsque que la vitesse du vent Vr en utilisation est inférieure à une vitesse maximale autorisée déterminée et, d'autre part, d'autoriser le pivotement de ladite pale (4) sous l'action du vent Vr pour provoquer son décrochage pouvant aller jusqu'à placer la pale (4) dans le lit du vent Vr, lorsque le vent Vr atteint ladite vitesse maximale autorisée puis de ramener ladite pale (4), lorsque la vitesse du vent Vr redevient inférieure à ladite vitesse maximale autorisée, dans ladite position correspondant à une incidence déterminée. 2 - Dispositif limiteur de couple (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque organe de rappel (11) comporte un élément de rappel (12), une tige (13) solidaire de la pale (4) associée et un câble (14) reliant ledit élément de rappel (12) et ladite tige (13). 3 - Dispositif limiteur de couple (10) selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque tige (13) est fixée sur la pale (4) de préférence perpendiculairement à l'axe longitudinal de la section transversale de ladite pale (4). B019,41-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG/GE- 12 - 4 - Dispositif limiteur de couple (10) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que l'élément de rappel (12) est du type un contrepoids apte à 5 coulisser à l'intérieur du mât central (3). - Dispositif limiteur de couple (10) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément de rappel (12) est un ressort hélicoïdal de traction ou de 10 compression. 6 - Dispositif limiteur de couple (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque organe de rappel (11) est un ressort de torsion, avantageusement 15 hélicoïdal, dont l'une des extrémités est fixée sur l'embase (5) associée à la pale (4), l'autre extrémité étant fixée sur ladite pale (4). 7 - Turbogénérateur (1) à rotor à réaction 20 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif limiteur de couple (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. BOISM1-FRA_TEXTE DEPOSE_RG/GE