Brevet FR3055039A1 — publié le 20180216

VOLANT D'INERTIE EN BÉTON ET ENVELOPPE FILAIRE DE PRÉCONTRAINTE ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION L'invention concerne un volant d'inertie destiné à stocker de l'énergie cinétique, et son procédé de fabrication. L'invention est plus particulièrement décrite en regard d'un volant fabriqué à base de béton, précontraint, présentant une résistance élevée à la compression, notamment supérieure à 50, voire 80, MPa. Les volants d'inertie comportent de manière connue un axe tournant, usuellement vertical, autour duquel est fixée une masse lourde et résistante. L'axe est relié à un moteur électrique qui l'entraine en rotation. Après l'arrêt de l'alimentation du moteur électrique, la masse du volant ayant emmagasiné de l'énergie cinétique continue de tourner et peut alors restituer de l'énergie mécanique qui est à son tour reconvertie en énergie électrique en utilisant le moteur comme génératrice électrique. La rotation sur elle-même de la masse crée de l'énergie cinétique qui peut être ainsi stockée temporairement, en vue d'utilisation diverses, comme pour le lissage des énergies renouvelables intermittentes de type éolien, solaire, l'alimentation en électricité de sites isolés, la restitution d'énergie pour le freinage de véhicules, etc. Comparé à des dispositifs de stockage d'énergie électrique tels que les accumulateurs électriques, les volants d'inertie présentent une durée de vie quasiment illimitée, réduisant le coût de l'installation. 3055039 2 La force centrifuge subie par la masse du volant, du fait des très hautes vitesses, entraîne de très fortes contraintes en traction pour le matériau constitutif de la masse. 5 Afin de rendre le corps résistant à cet égard, on a proposé, par la demande de brevet français n° 14/02430, au nom du cbmandeur, un volant d'inertie dont la masse est en béton et est soumise à une précontrainte de compression. 10 A cette fin, ce volant connu présente une masse entourée/enveloppée sur au moins une partie de sa surface externe de fibres de renforcement en acier dont la tension d'enroulement autour de la masse engendre une mise en compression du matériau constituant ladite masse. Le béton utilisé présente une résistance à la compression d'au moins 25 MPa. 15 Ce volant connu présente l'avantage d'un coût de revient inférieur aux autres volants existants, tout en étant résistant grâce à la précontrainte. Cependant, ce volant connu est susceptible d'amélioration. 20 En effet, l'acier des fibres de mise en compression présente l'inconvénient d'être dense et onéreux. L'utilisation de fibres de verre (au lieu d'acier) permet de remédier à ce 25 double problème (poids et coût). Néanmoins, l'enroulement sous tension de fibres de verre soulève une difficulté. 3055039 3 Les fibres de verre, par définition fragiles et cassantes, sont très difficiles à enrouler à grande vitesse tout en exerçant une tension élevée, nécessaire à la mise en compression du béton formant la masse. 5 La présente invention remédie à cette situation et propose un volant d'inertie en béton précontraint par enroulement de fibres mises en tension, qui soit facile à fabriquer, de faible coût de revient, tout en étant aussi performant, voire plus, que les volants existants. 10 Selon l'invention, le volant d'inertie comportant un corps massique en un matériau principal, tel que du béton, ledit corps étant enveloppé sur au moins une partie de sa surface externe d'une couche ou enveloppe de fibres de renforcement dont la tension d'enroulement autour du corps engendre une mise en compression du matériau constitutif principal, est 15 caractérisé en ce qu'il comporte une couche intermédiaire entre la couche de fibres et le corps en béton, remplie d'un matériau susceptible d'être injecté, et en ce que ladite couche de fibres est étanche audit matériau de la couche intermédiaire. 20 De manière avantageuse, les fibres de renforcement sont des fibres de verre. Le matériau de la couche intermédiaire est un matériau d'une part à l'état liquide ou d'une viscosité lui permettant d'être injecté sous pression, et 25 d'autre part apte à durcir avec le temps, après injection ; à titre d'exemples limitatifs, on peut citer : les matériaux thixotropiques (mortier), les matériaux plastiques thermodurcissables, un mélange d'eau et de plâtre, de la résine (par exemple époxy). 3055039 4 Selon un exemple avantageux, le matériau de la couche intermédiaire est du mortier, formé d'un mélange de ciment, d'eau et de sable, sans gravier. La couche de fibres de verre est rendue étanche au mortier avant sa 5 solidification, de préférence par imprégnation de résine. Plus particulièrement, le volant comprend : - un axe vertical, en un matériau rigide, par exemple en acier ; - un corps (ou masse) en béton fixé autour dudit axe vertical ; 10 - une couche intermédiaire en mortier ; et - un enroulement ou couche en fibres de verre imprégnées de résine. Les fibres de verre sont de préférence du type E, qui est le plus économique. 15 La résine enduisant les fibres de verre est choisie parmi celles du type polyester, époxy, ou polyuréthane. L'enroulement des fibres est réalisé selon un angle entre 45° et 60°, et de 20 préférence de 55°, par rapport à l'axe de rotation. En variante, la couche de fibres présente une épaisseur différente selon la zone recouverte de la masse (du corps) en béton. 25 Le volant comporte en outre un flasque supérieur et un flasque inférieur solidaires de l'axe et situés de part et d'autre du corps. L'invention est également relative à un procédé de fabrication d'un volant d'inertie, dans lequel : 3055039 5 1. on réalise au moins une masse en béton par moulage, la masse étant centrée sur un axe longitudinal correspondant à l'axe de rotation du volant ; 2. une fois le béton solidifié, on réalise une enveloppe ou 5 enroulement étanche en fibres de verre sur la masse en béton, sans tension (ou tension très faible) ; 3. on injecte entre la masse en béton solidifié et l'enveloppe étanche, sous haute pression, un matériau à l'état liquide / visqueux et apte à durcir (après injection), tel que du mortier, 10 de manière à engendrer dans ladite enveloppe étanche une tension et sur ladite masse une pression de contrainte. La tension dans l'enveloppe étanche se répercute sur le mortier solidifié, et donc sur le corps en béton, qui se trouve alors en précontrainte. 15 En variante, on réalise par moulage une série de blocs préfabriqués en béton, pourvus chacun d'un alésage central pour le passage de l'axe central, puis on enfile lesdits blocs sur ce dernier, avec de préférence un léger jeu, puis on réalise ladite enveloppe de fibres de verre (sans tension) 20 et on injecte du mortier d'une viscosité rendant possible l'injection entre la surface extérieure des blocs et la surface intérieure de l'enveloppe en fibres de verre, pour créer la couche intermédiaire. Dans la suite de la description, le terme « extérieur » relatif au corps du 25 volant, s'entend en qualifiant les parties en regard de l'environnement extérieur du volant, dans le cadre d'une installation normale du volant. La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : 3055039 6 - La figure 1 illustre une vue en coupe axiale d'une moitié du volant selon l'invention ; - Les figures 2A à 2 E sont des schémas des étapes successives de réalisation du volant ; 5 - La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une moitié d'une variante de réalisation du volant de la figure 1 ; - La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une autre variante de réalisation du volant de la figure 1. - La figure 5 est un schéma partiel en coupe dans un plan diamétral 10 montrant un détail de la partie en regard de deux blocs de la figure 4. En référence à la figure 1, le volant 1 comprend : - un axe 2 vertical, en un matériau rigide, par exemple en acier, 15 - une masse 3 en béton, - une couche intermédiaire 4 en mortier (comme expliqué ultérieurement) ; et - un enroulement 5 en fibre de verre imprégnée de résine. 20 La masse 3 en béton est fixée centrée autour de l'axe 2 vertical. Le volant 1, et notamment l'axe 2, est associé de manière connue, à un moteur électrique/générateur connu et non représenté, de manière que dans un premier temps ce dernier puisse entrainer en rotation l'axe 2 (et 25 donc la masse 3), puis dans un second temps, une fois la vitesse maximale atteinte, le volant puisse entrainer le moteur/générateur qui engendrera alors de l'électricité. De même, l'axe 2 est associé de manière connue à des paliers 30 respectivement supérieur et inférieur, connus en eux-mêmes et non 3055039 7 représentés, permettant le maintien sécurisé du volant et sa rotation, par rapport à un bâti fixe non représenté. La forme générale du volant est telle qu'il présente trois parties, vu selon 5 l'axe longitudinal X-X, à savoir une partie supérieure sensiblement hémisphérique 1A, une partie centrale ou médiane (par exemple sur environ la moitié de sa hauteur) cylindrique 1B et une partie inférieure 1C sensiblement hémisphérique, symétrique à la partie supérieure 1A. 10 La surface extérieure des parties supérieure 1A et inférieure 1C est bombée, de forme elliptique ou sphérique. A chaque extrémité du volant 1, à l'aplomb de l'axe 2 vertical, les fibres sont enroulées sur un flasque respectivement supérieur 6 et inférieur 7. 15 Les deux flasques 6 et 7 sont centrés sur l'axe 2 et peuvent glisser le long de ce dernier. Ils comportent une partie extérieure respectivement 6A et 7A radiale massive, une partie centrale respectivement 6B, 7B de plus faible diamètre destinées à recevoir l'enroulement 5, et une partie 20 intérieure en saillie radiale respectivement 6C, 7C. Les parties intérieures 6C et 7C servent à ancrer les flasques 6 et 7 dans l'enroulement 5. Les parties extérieures 6A et 7A sont utilisées pour équilibrer le volant (comme expliqué ci-après en regard de la figure 2E). 25 Le flasque supérieur 6 est associé à un palier magnétique de sustentation (connu et non représenté). 3055039 8 Le flasque inférieur 7 comporte un conduit 8, de direction axiale, permettant l'injection du mortier destiné à former la couche intermédiaire 4, comme expliqué ultérieurement. 5 A chaque extrémité de l'axe 2, un joint torique 9A, 9B assure l'étanchéité entre l'axe 2 et les flasques 6 et 7. L'axe 2 comporte sur une partie de sa surface extérieure, en contact avec la masse 3 en béton, des éléments 10A et 10B faisant saillie et/ou des 10 parties en creux. Ces éléments 10A, 10B sont destinés à faciliter l'ancrage du béton constitutif de la masse 3 sur l'axe 2. Le béton est de préférence un béton fibré à hautes performances de résistance à la compression supérieure à 80 MPa. Plus sa résistance est 15 élevée, plus sa capacité à stocker d'énergie est grande. Les fibres procurent au corps en béton un comportement plastique en traction, à des fins de sécurité. En effet, en cas d'incident (fissure par exemple), le corps en béton se déforme avant de se disloquer. Cette 20 déformation pourra être détectée (du fait des vibrations en résultant) et permettra d'arrêter le volant avant la rupture. Le mortier est un mélange de ciment, d'eau et de sable, sans gravier. Il doit être très fluide pour pouvoir être pompé et injecté sous pression : on 25 l'appelle parfois un « coulis ». Les figures 2A à 2E montre le volant 1 à différentes étapes du procédé de fabrication. 3055039 9 Figure 2A : On dispose d'un moule 30 de type connu, dont seulement la moitié est représentée sur la figure 2A, destiné à conformer le corps 3 en béton. L'axe 2 en acier est introduit dans le moule 30, et dépasse aux deux extrémités de ce dernier. Le moule 30 est ensuite rempli de béton. 5 Figure 2B : Une fois que le béton est pris ou solidifié, et a atteint une résistance suffisante, on ouvre le moule 30. On dispose ainsi de la masse / corps 3 dans laquelle est prisonnier l'axe 2 dépassant à chaque extrémité. 10 Figure 2C : On enfile les flasques 6 et 7 sur l'axe 2, qui dépasse de ces derniers. On bloque les flasques 6 et 7 en translation contre le corps 3. Puis, la fibre de verre 5 imprégnée de résine est enroulée sur la masse 3 en béton et sur la partie centrale 6B, 7B (figure 1) de chacun des flasques 15 6, 7, avec une tension très faible ou nulle. Figure 2D : Une fois que la réticulation de la résine est faite, on injecte du mortier, avec une pompe à haute pression P par le conduit 8 prévu dans le flasque inférieur 7. Le conduit 8 débouche par son extrémité distale (la 20 plus éloignée du corps en béton 3) vers l'extérieur et par son extrémité proximale (la plus proche du corps 3) dans l'espace entre le corps 3 et l'enroulement 5. Ceci permet d'introduire le mortier en coulis (relativement fluide) dans l'espace entre le corps 3 en béton rigide et la couche 5 de fibres de verre enroulée sans tension. Cet espace est au départ très 25 restreint voire quasi inexistant. Le mortier sous pression exerce une pression sur l'enroulement de fibres de verre, pour créer ainsi la couche intermédiaire 4, entre la masse 3 en béton et l'enroulement 5 en fibre de verre. Ceci a deux effets, d'une part de mettre la masse 3 en précontrainte de compression, et d'autre part de mettre en traction l'enroulement 5. La 30 pression d'injection du mortier est mesurée / contrôlée par un manomètre 3055039 10 M. Pendant l'injection, les deux flasques 6 et 7 sont libres en translation afin qu'ils puissent s'écarter du corps 3. Cela entraine que la force axiale due à la pression est reprise par l'enroulement 5, et non par l'axe 2. 5 L'injection de mortier en coulis est réalisée à une pression telle que le béton du corps soit mis en précontrainte à la pression souhaitée, soit au moins 40 MPa. Il faut injecter à une pression légèrement supérieure à celle souhaitée pour tenir compte du phénomène de retrait du béton. 10 On comprend que l'enroulement (ou couche) 5 de fibres a deux fonctions : - constituer une couche étanche permettant l'injection du mortier fluide dans l'espace entre le corps en béton et la couche de fibres ; - exercer une pression de précontrainte sur le mortier et donc sur le béton du corps 3, par mise en tension des fibres (les fibres étant au 15 départ sans tension ou avec une tension quasi nulle) résultant de l'injection de mortier dans le dit espace, à volume variable entre le corps en béton et la couche 5 de fibres de verre. Figure 2 E : Après un temps suffisant pour la prise ou solidification du 20 mortier, le volant 1 est équilibré par enlèvement de matière sur les flasques 6, 7. L'enroulement 5 filamentaire ou de fibres est similaire à celui d'un réservoir de gaz sous pression. Sur la partie cylindrique, les fibres sont 25 enroulées en hélice selon un angle proche de 55°, aigle optimal pour résister à la fois à la pression intérieure et à la force axiale. Le procédé de l'invention présente l'avantage, par rapport aux méthodes connues d'enroulement sous forte tension (frettage) des fibres, de 30 permettre un meilleur contrôle de la mise en contrainte, car il fait appel à 3055039 11 une mesure de pression hydraulique, et non pas (comme dans l'art antérieur) une mesure de la tension d'une fibre enroulée à grande vitesse. Le procédé de l'invention supprime le risque de casse de la fibre puisque celle-ci est enroulée sans tension. 5 La figure 3 montre une variante de réalisation du volant de la figure 1, où l'épaisseur de l'enroulement 5 de fibres de verre est différente selon la zone recouverte du corps 3. 10 Selon cette variante, un premier enroulement 51 recouvre la totalité du volant d'une épaisseur de fibres constante, puis on réalise un second enroulement 52 qui recouvre uniquement la partie cylindrique médiane 1B du volant qui crée ainsi une surépaisseur. 15 Avec des fonds de forme hémisphérique, l'épaisseur de l'enroulement sur les fonds peut être deux fois plus faible que celle de la partie cylindrique. Il est également possible d'augmenter l'épaisseur de la couche de fibres de verre autour des flasques 6 et 7 (figure 3), par un enroulement 20 additionnel. La figure 4 montre, selon une coupe axiale, une autre variante du volant de la figure 1, où le corps n'est pas monobloc mais formé d'une série de blocs préfabriqués en béton 31 à 35 alignés sur l'axe 2. 25 Dans un premier temps, on fabrique plusieurs blocs sensiblement hémisphériques 31/35 et plusieurs des blocs cylindriques 32/33/34, pourvus chacun d'un alésage central pour le passage de l'axe 2. 3055039 12 En référence à la figure 5, pour pallier aux inégalités de surface, inévitables, des plans transversaux supérieur / inférieur des blocs, on prévoit un évidement 32A, 33A (par réservation lors du moulage des blocs) en parties supérieure et inférieure, centré sur l'axe 2. Les 5 évidements présentent un diamètre extérieur substantiellement inférieur au diamètre extérieur des blocs. Une entretoise annulaire 36, en métal (acier par exemple) est disposée centré sur l'axe 2. L'entretoise présente un diamètre extérieurs très 10 légèrement inférieur à celui des évidements, et est ainsi apte à se loger dans les évidements 32A et 33A en regard (pour l'exemple des blocs 32 et 33), et présente une hauteur (axialement) telle qu'elle laisse entre les surfaces transversales des deux blocs en regard un espace ou jeu 37. 15 Ceci permet à la fois de mouler les blocs de façon économique (donc avec une surface libre même relativement inégale) et de les positionner précisément dans la direction axiale. Les blocs sont enfilés successivement sur l'axe 2, de manière à former le 20 volant, avec donc un bloc hémisphérique 31 et 35 à chaque extrémité et plusieurs (ici trois) blocs cylindriques 32 à 34. On réalise l'enroulement des fibres de la manière décrite ci-dessus. Les fibres étant enroulées selon une inclinaison importante par rapport à la 25 direction radiale, elles ne peuvent pas pénétrer dans l'espace formant le jeu entre deux blocs consécutifs. Lors de l'injection du mortier (non représenté), le jeu entre les blocs est rempli de mortier. Les blocs seront alors soudés les uns aux autres pour former in fine un volant monobloc. 3055039 13 Cette autre variante (figure 4) permet de faciliter la fabrication et réduire le coût, puisqu'il suffit de deux moules de relative petite taille pour fabriquer une gamme de volants de tailles et formes différentes. Ayant le même diamètre, les volants auront donc la même vitesse maximale et pourront 5 utiliser la même gamme de moteurs. A titre d'exemple, le volant d'inertie de l'invention présente les caractéristiques suivantes : - Le béton a une limite élastique à la compression de 100 MPa. 10 - Le diamètre du cylindre central 1B est de 1 m. - Il présente une longueur (hauteur) de 5 m. - Sa masse est de 8,7 t. - L'épaisseur de l'enroulement 5 en fibres de verre est de 17 mm. - La masse de fibres de verre est de 0,7 t, soit très inférieure à la 15 masse de béton. - Les fibres de verre ont été enroulées selon un angle de 55 ° par rapport à l'axe longitudinal du volant, et sous une tension qui engendre une contrainte de 1500 MPa. - La précontrainte dans le béton (compression) est de 50 MPa. 20 - Le volant peut tourner jusqu'à 4200 tours/min, vitesse à laquelle la précontrainte dans le béton devient nulle. L'énergie stockée est alors de 120 MJ (soir donc 33 kWh). Le procédé de fabrication de l'invention présente l'avantage principal de 25 ne faire appel qu'à des technologies classiques bien maîtrisées : moulage de béton, enroulement filamentaire de fibre de verre sans tension, injection de mortier à haute pression, équilibrage. REVENDICATIONS1. Volant d'inertie (1) comportant un corps (3) massique en un matériau principal, tel que du béton, ledit corps étant enveloppé sur au moins une partie de sa surface externe d'une couche de fibres de renforcement (5) dont la tension d'enroulement autour du corps (3) engendre une mise en compression du matériau constitutif principal, caractérisé en ce qu'il comporte une couche intermédiaire (4) entre la couche de fibres et le corps en béton, remplie d'un matériau susceptible d'être injecté, et en ce que ladite couche de fibres (5) est étanche audit matériau de la couche intermédiaire. 2. Volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de renforcement (5) sont des fibres de verre. 3. Volant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de la couche intermédiaire (4) est un matériau d'une part à l'état liquide ou d'une viscosité lui permettant d'être injecté sous pression, et d'autre part apte à durcir avec le temps, après injection, ledit matériau étant choisi parmi : les matériaux thixotropiques , les matériaux plastiques thermodurcissables, un mélange d'eau et de plâtre, de la résine, du mortier. 4. Volant selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la couche de fibres de verre (5) est rendue étanche au matériau de la couche intermédiaire (4), par imprégnation de résine. 5. Volant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un axe vertical (2) en un matériau rigide, par exemple en acier, un corps (3) en béton fixé autour dudit axe vertical, une couche intermédiaire (4) , et une couche de fibres de renforcement en fibres de verre imprégnées de résine. 3055039 15 6. Volant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enroulement des fibres est réalisé selon un angle entre 45° et 60°, de préférence à 55°, par rapport à l'axe de rotation. 7. Volant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la 5 couche de fibres présente une épaisseur différente selon la zone recouverte du corps en béton. 8. Volant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un flasque supérieur (6) et un flasque inférieur (7) situés de part et d'autre du corps (3). 10 9. Procédé de fabrication d'un volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on réalise au moins un corps (3) en béton par moulage, la masse étant centrée sur un axe longitudinal correspondant à l'axe de rotation (2) du volant ; 15 - une fois le béton solidifié, on réalise une enveloppe ou enroulement (5) étanche en fibres, de préférence fibres de verre, sur la masse en béton, sans tension ou une tension très faible ; - on injecte entre le corps en béton solidifié et l'enveloppe étanche, sous haute pression, un matériau apte à durcir avec le temps après 20 injection, tel que du mortier, de manière à engendrer, une fois ledit matériau solidifié/durci, dans ladite enveloppe étanche une contrainte de tension et sur ladite masse une contrainte de compression. 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 25 l'on réalise par moulage une série de blocs préfabriqués en béton, pourvus chacun d'un alésage central pour le passage de l'axe central, puis on enfile lesdits blocs sur ce dernier, avec de préférence un léger jeu, puis on réalise ladite enveloppe de fibres (5) sans tension et on injecte du mortier d'une viscosité rendant possible l'injection entre la 3055039 16 surface extérieure des blocs et la surface intérieure de l'enveloppe en fibres de verre, pour créer la couche intermédiaire (4).