Brevet FR3129654A1 — publié le 20230602

Outil pour le montage d’une pale sur une éolienne en mer. L’invention porte sur un outil pour mettre en place ou retirer une pale 11A d’une éolienne 2, cet outil comprenant un palonnier 21 et un positionneur 22, le palonnier étant prévu pour lever la pale à l’aide d’une grue 20A, le palonnier 21 et le positionneur 22 comprenant des moyens 33, 36B, 36H de prise réciproque, le positionneur comprenant des moyens 39 pour le fixer sur des moyens d’élévation 15 et des moyens 35, 37-39, 41-44 pour orienter et déplacer la pale relativement aux moyens d’élévation. Figure pour l’abrégé : figure 2 Outil pour le montage d’une pale sur une éolienne en mer. La présente invention se rapporte au domaine des éoliennes implantées en mer. Elle se rapporte particulièrement au montage ou au démontage de pales de telles éoliennes. Lorsque le fond marin est suffisamment peu profond, l’éolienne peut comprendre un mât directement ancré dans le fond marin. Ces éoliennes fixes font généralement partie d’un champ d’éoliennes et des moyens importants sont mobilisés pour les ériger, notamment pour en installer la fondation, puis, pour poser le mât et y fixer la turbine et ses pales. Cependant, lorsqu’il faut changer une pale d’une telle éolienne, on ne sait utiliser que des Jack-ups, c’est-à-dire des plateformes flottantes autoélévatrices munies de pieds et équipées d’une grue à flèche relevable. Ces plateformes s’appuient et se soulèvent d’elles-mêmes sur le fond marin grâce à leurs pieds en forme de colonne. Il est très délicat de manipuler une pale et cela demande des moyens importants, tant en capacité de hauteur qu’en capacité de charge. Des Jack-ups aux capacités suffisantes sont peu nombreux, peu disponibles et leur intervention est extrêmement couteuse. Là où le fond marin est trop profond, des éoliennes sont portées par des plateformes flottantes. Une telle plateforme flottante, portant une éolienne, peut avoir la forme d’une barge ou d’une structure de poutres reliant au moins trois flotteurs entre eux. Généralement, les éoliennes sont montées sur leur plateforme à quai, dans un port, puis tractées en mer, jusqu’à leur lieu d’exploitation. Les éoliennes flottantes sont généralement implantées en haute mer. La profondeur de la mer est généralement si grande que ni l’éolienne ni la grue ne peuvent être ancrées dans le sol. Elles sont, indépendamment l’une de l’autre, soumises à la houle. Or, l’accostage d’une pale sur le rotor qui doit la porter nécessite une approche quasi statique. Cela nécessite des conditions de mer et de vent très favorables, voire exceptionnelles. La seule solution réaliste connue est de ramener l’éolienne avec sa plateforme jusqu’à un port dans lequel l’entretien nécessaire peut se faire. Néanmoins, une telle solution est particulièrement consommatrice de temps, d’énergie et de moyens, donc onéreuse. Le problème à résoudre consiste à trouver un procédé et des moyens pour changer une pale d’une éolienne, plus rapidement, plus simplement et de façon moins onéreuse qu’avec les procédés et moyens connus. Pour résoudre ce problème, on peut utiliser un mât télescopique monté sur la plateforme qui supporte l’éolienne ; de préférence ce mât est solidaire de la plateforme. Cette plateforme peut être une plateforme flottante comprenant plusieurs flotteurs reliés par une structure de poutres. Pour permettre la manipulation de la pale, l'invention propose un outil pour mettre en place ou retirer une pale d’une éolienne qui comprend un palonnier (21) et un positionneur (22), le palonnier étant prévu pour lever ladite pale à l’aide d’une grue (20), le palonnier (21) et le positionneur (22) comprenant des moyens (33, 36B, 36H) de prise réciproque, le positionneur comprenant des moyens pour le fixer sur des moyens d’élévation (15) et des moyens (35, 37-39, 41-44) pour orienter et déplacer la pale relativement auxdits moyens d’élévation. De préférence, les moyens de prise réciproque comprennent des moyens d’emboîtement réciproque. Avantageusement, les moyens d’emboîtement comprennent deux perches et des manchons pour y enfiler les tiges dont l’une peut être enfilée avant l’autre, de préférence deux tiges de longueurs différentes. Le palonnier peut comprendre au moins une pince pour prendre la pale, de préférence une vergue disposée longitudinalement et deux pinces, chacune à une extrémité longitudinale respective de la vergue. Chaque pince peut comprendre une mâchoire inférieure et une mâchoire supérieure, la mâchoire inférieure étant fixe relativement à la vergue et la mâchoire supérieure étant mobile verticalement, de sorte que lorsque la pale repose sur la mâchoire inférieure, la mâchoire supérieure vient la pincer pour la maintenir en prise. Le positionneur comprend avantageusement : - des moyens pour faire basculer la pale autour d’un axe transversal horizontal ; - des moyens pour déplacer longitudinalement la pale ; et, de préférence, - des moyens pour déplacer transversalement la pale ; et/ou, - des moyens pour faire tourner la pale autour d’un axe vertical. Le positionneur peut notamment comprendre : - une base prévue pour y faire reposer le palonnier, la base comprenant les moyens de prise du positionneur sur ledit palonnier ; - un chariot ; - un guide longitudinal ; et, - un connecteur ; le guide étant disposé à une extrémité supérieure du connecteur et relié à ce dernier par une liaison pivot qui permet un basculement du guide autour d’un axe horizontal transversal, un actionneur basculeur permettant de piloter le basculement ; le chariot étant monté pour coulisser longitudinalement sur le guide, un actionneur longitudinal permettant de piloter une translation longitudinale du chariot par rapport au guide ; la base étant montée pour coulisser transversalement sur le chariot, un actionneur transversal permettant de piloter une translation transversale de la base relativement au chariot. Plusieurs modes d’exécution de l’invention seront décrits ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : illustre schématiquement, une vue d’ensemble, en élévation, d’un changement de pale d’une éolienne selon un procédé utilisant un outil selon l’invention ; illustre schématiquement en élévation, une première étape de ce procédé, dans laquelle on approvisionne une pale à mettre en place sur l’éolienne ; illustre schématiquement en élévation, une deuxième étape du procédé dans laquelle la pale est disposée sur un système de levage ; illustre schématiquement en élévation, une troisième étape du procédé dans laquelle le système de levage soulève la pale ; illustre schématiquement en élévation, une quatrième étape du procédé dans laquelle le système de levage approche la pale du rotor de l’éolienne ; illustre schématiquement en élévation, une cinquième étape du procédé dans laquelle l’outil oriente la pale en direction d’une bride sur laquelle elle doit être fixée ; illustre schématiquement en vue de dessus, la cinquième étape ; illustre schématiquement en élévation, une sixième étape du procédé dans laquelle l’outil amène la pale en contact avec la bride et où on l’y fixe ; illustre schématiquement en élévation, une huitième étape du procédé dans laquelle l’outil libère la pale de sa prise ; et, illustre schématiquement en vue de dessus, une huitième étape du procédé dans laquelle la nacelle de l’éolienne tourne pour dégager la pale de l’emprise de l’outil. Dans la description qui suit, certains termes utilisés, tels que « gauche » ou « droite » n’ont rien d’absolu et font généralement référence à une position sur une des figures sans qu’ils puissent être considérés comme une limitation à la portée de l’invention. Le mat de l’éolienne est considéré comme vertical pour simplifier la description, bien que sa position soit dans la réalité soumise aux effets de la houle et du vent. La illustre un système d’éolienne 1. Dans l’exemple illustré, le système comprend une éolienne 2 montée sur une plateforme flottante 3. La plateforme 3 comprend des flotteurs 4 et une structure rigide 6. Les flotteurs sont généralement au nombre de trois ou quatre. L’éolienne s’étend verticalement selon un axe principal X1 de l’éolienne et les flotteurs sont régulièrement répartis autour de cet axe X1. La structure 6 relie les flotteurs entre eux et supporte l’éolienne 2. Un tel système d’éolienne flottante est notamment connu du document FR 3 053 020 A1 (Dietswell). Dans l’exemple illustré, l’éolienne 2 comprend un mât 7 tubulaire portant en son sommet une nacelle 8 comprenant un unique rotor 12 et trois pales 11 fixées au rotor 12. Le mât 7 s’étend selon l’axe d’éolienne X1. La illustre le changement d’une pale 11A par un procédé selon l’invention à l’aide d’un engin de levage 14 comprenant un fût 15. L’engin 14 est monté au sommet d’un flotteur porteur 4A parmi les flotteurs 4 de la plateforme 3. Le fût 15 est vertical autour d’un axe de levage X15 ; dans l’exemple illustré, il comprend six éléments tubulaires 16 montés verticalement coulissants l’un dans l’autre. L’engin 14 est équipé, au sommet du fût, d’un outil de préhension 18 pour une pale 11A parmi les pales 11. L'engin de levage 14 et l’outil 18 sont définis pour que la descente de charge de l’outil 18 et la pale 11A qu’il porte reste à tout moment le plus près possible de la fibre neutre, c’est-à-dire de l’axe X15, du fut 15 pour éviter sensiblement tout moment, toute contrainte radiale voire du flambage. Une barge 19 est stationnée à proximité du système d’éolienne 1. Elle est équipée d’une grue 21 à flèche basculante en treillis. La barge 19 est utilisée pour apporter la pale 11A si elle est nouvelle ou emporter cette pale si elle est endommagée ; elle permet de faire l’échange entre une pale endommagée et une pale de remplacement. Dans l’exemple illustré la barge 19 est du type Jack-up ; si les fonds marins sont trop profonds, on peut utiliser une barge maintenue flottante au voisinage du système 1. Avec des moyens et un procédé selon l’invention, les mouvements relatifs du système d’éolienne 1 et de la barge 19 ne sont pas un handicap pour la manipulation de la pale 11A. Cette opération peut être réaliser sans endommager la pale ou l’éolienne. Les figures 2 à 10 illustrent le montage d’une nouvelle pale 11A sur l’éolienne 2, à l’aide de l’outil 18. On va maintenant décrire l’outil 18 en référence à la . Comme cela est particulièrement visible à la , l’outil 18 comprend deux parties principales 21, 22, dissociables l’une de l’autre ; une première partie forme un palonnier 21 pour la préhension de la pale 11A, la deuxième partie est un positionneur 22 pour positionner la pale relativement au rotor 12. Aux figures, le positionneur 22 est fixé au sommet du fût 15. À la , le fût est en position rétractée c’est-à-dire que les éléments 16 sont emboîtés entre eux. Notamment pour les besoins de la description de la , on appelle longitudinal ce qui est sensiblement parallèle à la pale, c’est-à-dire qui s’étend de gauche à droite sur la figure ; on appelle transversal ce qui est perpendiculaire au plan de la figure, donc transversal à la pale, dans un plan horizontal. Le palonnier 21 comprend : - un montant 23 s’élevant dans un plan vertical transversal, - une élingue 24 fixée à une extrémité supérieure du montant ; et, - des moyens de prise 26, fixés à une extrémité inférieure du montant. Dans l’exemple illustré, les moyens de prises 26 comprennent une vergue 27 disposée longitudinalement et deux pinces 28, chacune à une extrémité longitudinale respective de la vergue 27. La vergue porte en outre deux manchons 33. Chaque pince 28 comprend une mâchoire inférieure 31 et une mâchoire supérieure 32. La mâchoire inférieure est fixe relativement à la vergue 27 et au montant 23. La mâchoire supérieure est mobile verticalement, de sorte que lorsque la pale repose sur la mâchoire inférieure, la mâchoire supérieure vient la pincer pour la maintenir en prise. Le positionneur 22 comprend une base 35 prévue pour y faire reposer le palonnier 21. Deux perches 36B, 36H s’étendent verticalement vers le haut depuis la base 35. Les perches sont prévues pour être enfilées chacune dans un manchon 33 respectif du palonnier 21, de façon ajustée. Les perches ont des hauteurs différentes, de sorte qu’une perche 36H la plus haute est d’abord introduite dans son manchon respectif puis la perche 36B la plus basse dans le sien. Ainsi, les perches n’étant pas introduites en même temps, l’opération est facilitée. La base 35 et les perches 36A, 36B permettent d’accoupler précisément le palonnier 21 et le positionneur 22. Le positionneur 22 comprend en outre un chariot 37, un guide longitudinal, ici une poutre longitudinale 38, et un connecteur 39. Dans l’exemple illustré, le connecteur a la forme d’une colonne qui est fixée sur une extrémité supérieure du fût 15. Le connecteur est équipé de moyens pour permettre une rotation autour de l’axe vertical X15. La poutre 38 est disposée à une extrémité supérieure du connecteur ; elle est reliée à ce dernier par une liaison pivot qui permet son basculement autour d’un axe horizontal transversal. Un actionneur basculeur 42 permet de piloter le basculement ; dans l’exemple illustré, le basculeur 42 est un vérin, monté fonctionnellement entre le connecteur et la poutre. Le chariot 37 est monté pour pouvoir coulisser longitudinalement sur la poutre 38. Un actionneur longitudinal 43 permet de piloter une translation longitudinale du chariot par rapport à la poutre ; dans l’exemple illustré, cet actionneur est un vérin longitudinal 43, monté fonctionnellement entre le chariot et la poutre. La base 35 est montée pour pouvoir coulisser transversalement sur le chariot 37. Un actionneur transversal 43 permet de piloter une translation transversale de la base 35 relativement au chariot ; dans l’exemple illustré, cet actionneur est un vérin longitudinal 44, monté fonctionnellement entre le chariot et la base. Ce vérin étant transversal, il est représenté aux figures par un cercle. La illustre une première étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans des étapes préalables, on a mis en place la pale 11A dans le palonnier 21 et on a utilisé le palonnier pour charger la pale sur la barge 19. Dans cette première étape, le palonnier 21 est suspendu par son élingue 24 à un crochet 20A de la grue 20 de la barge 19, au-dessus du positionneur 22. Dans la position illustrée, les perches 36B, 36H sont sensiblement alignées avec les manchons 33. On note que le palonnier 21 est conçu afin que la pale 11A puisse y être disposée de sorte que, dans la position de la , son centre de gravité G est sensiblement aligné avec l’axe X15 du fût 15 ; la pale a un axe longitudinal XA, passant par le centre de gravité G, sensiblement horizontal. La illustre une troisième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, le palonnier a été emboité sur le positionneur 22. Pour cet emboîtement, à mesure où l’on a rapproché le palonnier du positionneur, on a d’abord enfilé la perche haute 36H dans le manchon 33 correspondant, puis la perche basse 36B dans l’autre manchon 33. Dans la position de la , l’outil 18 est constitué ; le palonnier repose sur la base 35 et n’est plus tenu par la grue 20. La illustre une troisième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, le fût 15 est en cours de déploiement vers le haut et la pale 11A est soulevée. La illustre une quatrième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, le fût 15 a continué à se déployer et la pale 11A à mettre en place est quasiment à la hauteur du rotor 12. Le rotor comprend trois brides 50 pour y fixer des pales. Deux des brides 50 sont occupées chacune par une pale 11 respective. La troisième bride 50A est libre pour recevoir la pale 11A à y mettre en place. La bride 50A porte un axe de bride X5 qui doit être aligné avec l’axe XA de la pale 11A pour pouvoir la fixer à la bride 50A. On note que, dans le plan de la figure, l’axe XR de la bride est incliné d’un angle AH par rapport à un plan horizontal H. Les figures 6 et 7 illustrent une cinquième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, l’axe XA de la pale est aligné avec l’axe X5 de la bride 50A sur laquelle elle doit être fixée. Pour effectuer cette étape d’alignement on utilise trois degrés de liberté offerts par le positionneur 22. Comme illustré aux figures 6 et 7 : - une action du vérin 42 selon la flèche T1, permet un basculement de la pale 11A autour du pivot 41 ; - une action du connecteur 39 permet une rotation selon la flèche R2 de la pale 11A autour de l’axe X15 du fût ; - une action du vérin 44 selon la flèche T2, permet une translation transversale de la pale 11A ; On utilise en outre, une rotation selon la flèche R3 de la nacelle 8 autour de l’axe X1 de l’éolienne qui, en combinaison avec la rotation R2 et la translation T2 de la pale 11A, permettent d’aligner dans le plan horizontal, la pale 11A à mettre en place et la bride ; ce qui est particulièrement illustré à la . L’alignement peut être fait par un opérateur à l’aide de moyens de télécommande. Il peut aussi être réalisé automatiquement, par exemple à l’aide de faisceaux laser et de cibles. La illustre une septième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, on vient fixer la pale 11A à mettre en place sur sa bride 50A. Leurs axes XA et X5 étant alignés, on rapproche la pale 11A jusqu’à ce qu’elle soit en contact avec la bride 50A. Pour cela on déplace le chariot 37 en translation le long de la poutre 38, selon la flèche T3, à l’aide du vérin longitudinal 43. Une fois en contact, la pale 11A est fixée sur sa bride 50A, par exemple par boulonnage. La illustre une huitième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, on soulève les mâchoires supérieures 32, selon la flèche F1, puis on abaisse l’outil selon la flèche F2 en rétractant le fût 15, de sorte que la pale 11A mise en place ne soit pas en contact avec les mâchoires 31, 32. La illustre une neuvième étape pour la mise en place de la pale 11A sur l’éolienne 2. Dans cette étape, on fait pivoter la nacelle selon la flèche R4, de façon à sortir la pale mise en place de l’emprise verticale de l’outil 18. Dans des phases ultérieures, l’outil est repositionné en alignement sur l’axe X15 du fût 15, puis le fût est rétracté. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Ainsi, des étapes similaires à celles précédemment décrites, sensiblement dans un ordre inverse, permettent de déposer une pale endommagée, avant de mettre en place une nouvelle pale en remplacement. Aussi, les perches peuvent être portées par le palonnier et venir se prendre dans des manchons du positionneur. Elles peuvent aussi être plus courtes que dans la représentation qui en est faite sur les figures. Aussi, la poutre du positionneur peut, par exemple, être remplacée par deux poutres parallèles ou par un plateau, pour une plus grande stabilité. Les moyens de rotation autour de l’axe de fût peuvent être propres au fût et non au connecteur de l’outil. L’élingue du palonnier peut être remplacée par tous moyens d’accroche, notamment un anneau ou un crochet. Outil (18) pour mettre en place ou retirer une pale (11A) d’une éolienne (2) caractérisé en ce qu’il comprend un palonnier (21) et un positionneur (22), le palonnier étant prévu pour lever ladite pale à l’aide d’une grue (20), le palonnier (21) et le positionneur (22) comprenant des moyens (33, 36B, 36H) de prise réciproque, le positionneur comprenant des moyens pour le fixer sur des moyens d’élévation (15) et des moyens (35, 37-39, 41-44) pour orienter et déplacer la pale relativement auxdits moyens d’élévation. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de prise réciproque comprennent des moyens d’emboitement réciproque. Outil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d’emboîtement comprennent deux perches (36B, 36H) et des manchons (33) pour y enfiler les perches dont l’une peut être enfilée avant l’autre, de préférence deux perches de longueurs différentes. Outil selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le palonnier (21) comprend au moins une pince (28) pour prendre la pale, de préférence une vergue (27) disposée longitudinalement et deux pinces (28), chacune à une extrémité longitudinale respective de ladite vergue. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque pince comprend une mâchoire inférieure (31) et une mâchoire supérieure (32), la mâchoire inférieure étant fixe relativement à la vergue (27) et la mâchoire supérieure étant mobile verticalement, de sorte que lorsque la pale repose sur la mâchoire inférieure, la mâchoire supérieure vient la pincer pour la maintenir en prise. Outil selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le positionneur (22) comprend : - des moyens (38, 41, 42) pour faire basculer (R1) la pale autour d’un axe transversal horizontal ; - des moyens (37, 43) pour déplacer longitudinalement (T3) la pale ; et, de préférence, - des moyens (35, 44) pour déplacer transversalement (T2) la pale ; et/ou, - des moyens (39) pour faire tourner (R2) la pale autour d’un axe vertical (X15). Outil selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le positionneur (22) comprend : - une base (35) prévue pour y faire reposer le palonnier (21), ladite base comprenant des moyens de prise (36B, 36H) du positionneur sur ledit palonnier ; - un chariot (37) ; - un guide longitudinal (38) ; et, - un connecteur (39) ; le guide étant disposé à une extrémité supérieure du connecteur et relié à ce dernier par une liaison pivot (41) qui permet un basculement (R1) dudit guide autour d’un axe horizontal transversal, un actionneur basculeur (42) permettant de piloter ledit basculement ; le chariot étant monté pour coulisser longitudinalement sur le guide, un actionneur longitudinal (43) permettant de piloter une translation longitudinale (T3) dudit chariot par rapport audit guide ; la base étant montée pour coulisser transversalement sur le chariot, un actionneur transversal (44) permettant de piloter une translation transversale de ladite base relativement audit chariot.