FR2863318A1 - Aerogenerateur a pales presentant un bord d'attaque deporte, et pale correspondante - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un aérogénérateur du type comprenant une mâture (1) à l'extrémité supérieure de laquelle est monté un moyeu (2) portant au moins une pale (3), caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune desdites pales, des moyens de déport du bord d'attaque (31) conçus de façon que l'axe principal s'étendant entre le centre de la base de la racine (32) de la pale et l'extrémité opposée de ladite pale ne passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu (2), permettant de limiter les perturbations aérodynamiques dues au passage desdites pales (3) devant ladite mâture (1).

Description

Aérogénérateur à pales présentant un bord d'attaque déporté, et pale

correspondante.

L'invention concerne le domaine des aérogénérateurs. Plus précisément, l'invention concerne un aérogénérateur de type éolienne qui peut être groupé avec d'autres aérogénérateurs du même type pour former une centrale.

Dans le domaine des aérogénérateurs, le principe des éoliennes est largement connu et appliqué.

Ces éoliennes peuvent être utilisées par des particuliers pour leur propre utilisation. Les éoliennes domestiques de ce type sont donc généralement isolées et de relativement petites dimensions.

Une autre catégorie d'éoliennes est destinée à la production d'électricité à plus grande échelle: ces éoliennes sont de grandes dimensions et sont généralement regroupées en centrales.

La production mondiale d'électricité par des éoliennes connaît actuellement un développement important, du fait notamment qu'elles représentent un moyen de production d'énergie écologique.

Toutefois, sur le plan technique, les éoliennes de grandes dimensions posent encore de nombreux problèmes.

On rappelle qu'une éolienne, ou plus généralement un aérogénérateur, est constituée d'une mâture en haut de laquelle est placée une génératrice entraînée par un moyeu portant les pales (généralement au nombre de trois) . Le principe de fonctionnement consiste alors à transformer l'énergie cinétique du vent agissant sur les pales en énergie mécanique due au mouvement de rotation du rotor, puis à transformer cette énergie mécanique en énergie électrique.

Comme déjà mentionné précédemment, les éoliennes destinées à la production d'électricité à plus grande échelle présentent des dimensions de plus en plus importantes: les pales de ces éoliennes mesurent chacune par exemple 23 m (pour une puissance de 750 KW) ou plus, pour des puissances pouvant atteindre plusieurs mégawatts. La tendance actuelle est de chercher à augmenter la puissance des éoliennes. Ce qui a pour conséquence d'augmenter la longueur des pales.

Les pales représentent une part significative dans le budget d'une éolienne. Leur durée de vie est donc devenue une préoccupation essentielle des constructeurs (pour exemple la durée de vie programmée il y a 5 ans sur des pales de dimension proche de 25 m a été divisée par 2, soit ramenée à 10 ans, alors que des dégradations importantes apparaissent au bout de 3 à 4 ans voire moins).

Les principales sources de fatigue constatées sur les pales sont dues aux efforts aérodynamiques suivants, : vibrations; - fluctuation permanente de la vitesse du vent; rafales.

Une autre source de fatigue notable provient de l'action de l'éolienne sur la pale (par exemple lors des freinages visant à réguler la vitesse de rotation de l'éolienne ou lors de freinages d'urgence).

Parallèlement, la Demanderesse a mis en évidence que le passage d'une pale devant la mâture de l'éolienne génère des perturbations aérodynamiques importantes.

En effet, de telles perturbations aérodynamiques se traduisent par une perte de portance au droit de la mâture qui peut atteindre 20 % et plus. Ces chargements et déchargements aérodynamiques successifs sont des facteurs de fatigue des pales qui peuvent entraîner des dégradations considérables de celles-ci.

On note que ce phénomène est d'autant plus sensible que les pales exécutent en moyenne 2,5 millions de cycles par an, étant considéré que la vitesse de rotation de la pale est généralement plafonnée de manière à limiter le bruit en extrémité de pale.

L'invention a donc notamment pour objectif de pallier cet inconvénient de l'art antérieur.

Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un aérogénérateur qui permette de limiter notablement les efforts s'exerçant sur les pales du fait des perturbations aérodynamiques générées par le passage des pales devant la mâture de 1' aérogénérateur.

L'invention a également pour objectif de fournir un tel aérogénérateur qui permette également de réduire les risques de détérioration dus aux fortes rafales de vent.

L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel aérogénérateur qui soit simple de conception et facile à mettre en oeuvre.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un aérogénérateur du type comprenant une mâture à l'extrémité supérieure de laquelle est monté un moyeu portant au moins une pale, caractérisé en ce que pour chacune desdites pales, des moyens de déport du bord d'attaque conçus de façon que l'axe principal s'étendant entre le centre de la base de la racine de la pale et l'extrémité opposée de ladite pale ne passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu, permettant de limiter les perturbations aérodynamiques dues au passage desdites pales devant ladite mâture.

De cette façon, on décale l'axe principal de la pale par rapport à sa position habituelle, consistant à occuper une position radiale par rapport au moyeu.

Ainsi, comme cela va apparaître encore plus clairement par la suite, on atténue considérablement les perturbations aérodynamiques générées par le passage de la pale devant la mâture, en évitant que la pale ne passe au droit de la mâture comme c'est le cas avec les aérogénérateurs traditionnels de l'art antérieur.

Le déport de pale obtenu se traduit par le fait que le passage du bord d'attaque de la pale devant la mâture est progressif, ce qui limite considérablement les chargements et déchargements aérodynamiques successifs.

Par conséquent, la fatigue de la pale due aux perturbations aérodynamiques mentionnées précédemment est considérablement réduite.

Selon un premier mode de réalisation, lesdits moyens de déport comprennent avantageusement une entretoise intercalée entre la racine de chacune desdites pales et ledit moyeu, ladite entretoise présentant une surface de contact avec ledit moyeu et une surface de contact avec ladite racine formant un angle non nul entre elles.

Selon un deuxième mode de réalisation, lesdits moyens de déport comprennent des logements ménagés sur ledit moyeu pour recevoir la racine desdites pales, lesdits logements présentant un axe longitudinal qui ne passe pas 10 par l'axe de rotation dudit moyeu.

Selon un troisième mode de réalisation, ladite racine présente au moins deux portions dans le prolongement l'une de l'autre et dont les axes longitudinaux forment un angle non nul entre eux.

Selon une première approche, chaque pale est conformée et/ou montée 15 sur ledit moyeu de façon que l'extrémité proximale dudit bord d'attaque par rapport audit moyeu, passe devant ladite mâture avant l'extrémité distale dudit bord d'attaque.

On obtient ainsi un déport dit négatif, présentant les avantages suivants: le chargement/choc aérodynamique dû au passage devant la mâture est vu en premier par le pied de pale (plus rigide et plus résistant) avant de se propager progressivement vers l'extrémité de pale au cours de la rotation, du fait du décalage du bord d'attaque par rapport à l'axe principal, un déport positif nécessiterait une entretoise avec un angle plus important pour annuler le décalage négatif naturel du bord d'attaque, Selon une deuxième approche, chaque pale est conformée et/ou montée sur ledit moyeu de façon que l'extrémité proximale dudit bord d'attaque par rapport audit moyeu, passe devant ladite mâture après l'extrémité distale dudit 30 bord d'attaque. 25

On obtient ainsi un déport positif.

Selon une autre caractéristique avantageuse, chaque pale est conformée et/ou montée sur ledit moyeu de façon que, dans le plan vertical perpendiculaire au plan de rotation desdites pales, le bord d'attaque desdites pales forme un angle non nul avec l'axe longitudinal de ladite mâture lorsque ledit bord d'attaque est sensiblement vertical.

Une telle caractéristique contribue également à réduire considérablement la fatigue de la pale due aux perturbations aérodynamiques engendrées par le passage de la pale devant la mâture.

Un autre avantage de cette approche est que, la distance entre l'extrémité distale de la pale par rapport à la mâture étant augmentée, on supprime, ou à tout le moins on réduit considérablement les risques d'accrochage de la pale avec la mâture lors de rafales de vent violentes.

On note que l'angle en question pourra varier autant que de besoin dans une plage allant de 0 à environ 45 , ceci notamment en fonction des dimensions des pales, mais également en fonction des dimensions du rotor.

Avantageusement, ladite racine desdites pales présente une bride, présentant préférentiellement des alésages filetés débouchant librement en direction dudit moyeu, ladite bride étant au moins partiellement adossée contre ladite racine et solidarisée avec celle-ci.

On note que cette bride pourra être droite (c'est-à-dire coaxiale avec la racine de la pale) ou coudée pour constituer une pièce formant entretoise entre la racine et le moyeu, tel qu'indiqué précédemment.

On rappelle que, selon l'art antérieur, la liaison de la pale au moyen de l'aérogénérateur est classiquement en oeuvre des inserts filetés pénétrant radialement la racine de la pale, ces inserts étant destinés à coopérer avec des boulons assurant le maintien de la racine de la pale contre un élément du moyeu.

Dans une telle liaison, on dénombre jusqu'à quarante points de fixation pour une pale de 23 m, c'est-à-dire quarante inserts pénétrant radialement la racine de la pale. Ces quarante inserts impliquent donc quarante perçages de la racine, ce qui tend à fragiliser celle-ci.

Pour assurer une résistance mécanique de la liaison, on prévoit traditionnellement: d'éloigner les inserts de l'extrémité de la racine et de cercler l'extrémité de la racine; d'augmenter l'épaisseur de la racine pour compenser la perte de section de celle-ci du fait des perçages formant logement pour les inserts.

Ce type de liaison présente plusieurs inconvénients.

En premier lieu, cette liaison impose la réalisation des perçages pour la mise en place des inserts filetés, ce qui entraînent inévitablement des ruptures dans les fibres (la racine étant le plus souvent réalisée en fibres de verre et/ou de carbone) longitudinales.

Ceci fragilise la racine, alors que la résistance de celle-ci est un des éléments essentiels dans la réalisation d'une pale.

En second lieu, l'augmentation de l'épaisseur de la racine et l'ajout d'un cerclage tendent à augmenter sensiblement le poids de la pale.

Or, pour augmenter le rendement et la fiabilité des éoliennes actuelles, on cherche notamment à réduire le poids des pales, tout en conservant bien entendu une résistance mécanique satisfaisante. Les solutions actuelles pour la fixation des pales au moyeu vont donc à l'inverse de cette recherche de gain de poids, sans pour autant garantir à la pale une tenue mécanique fiable dans le temps.

Avec une bride selon l'invention, les alésages filetés sont prévus pour être présentés en bout de la racine de la pale, de façon à déboucher librement vers le moyeu, soit dans le prolongement de la racine, soit de façon à s'inscrire sensiblement dans le plan extrême de la racine de la pale. On comprend donc que l'intégrité mécanique de la racine n'est pas atteinte du fait des perçages réalisés pour la mise en place d'inserts encastrés comme c'est le cas selon l'art antérieur.

Il n'est donc plus nécessaire d'augmenter démesurément l'épaisseur de la racine de la pale dans la mesure où l'on évite de rapporter un cerclage, nécessaire dans les solutions classiques pour compenser la perte de section due aux perçages.

Des gains de poids notables peuvent donc être envisagés grâce à cette caractéristique.

Avantageusement, ladite bride présente au moins deux parties: une assise dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés; des moyens de solidarisation destinés à assurer la solidarisation de ladite bride à ladite racine, et s'étendant à partir de ladite assise.

On obtient de cette façon une bride avec une assise permettant de présenter des alésages filetés qui débouchent librement, cette assise faisant unité avec des moyens de solidarisation qui s'étendent essentiellement en direction longitudinale de la racine comme cela apparaîtra clairement par la suite, par opposition en quelque sorte aux inserts de l'art antérieur, disposés et encastrés radialement.

L'invention concerne également un moyeu d'aérogénérateur qui présente des logements pour recevoir la racine desdites pales, lesdits logements présentant un axe longitudinal qui ne passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels: les figures 1 et 2 sont des vues respectivement de face et de côté d'un aérogénérateur selon l'art antérieur; les figures 3 et 4 sont chacune des vues d'un mode de réalisation d'une pale d'aérogénérateur selon l'invention; la figure 5 est une vue partielle de côté d'un aérogénérateur selon l'invention; - la figure 6 est une vue en coupe d'une bride équipant une pale 30 d'aérogénérateur selon l'invention; les figures 7 à 10 sont des vues successives de la rotation des pales d'un aérogénérateur selon le mode de réalisation illustré par les figures 3 et 4; la figure 11 est une vue d'un aérogénérateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; la figure 12 est une vue d'un moyeu destiné à équiper un aérogénérateur selon le mode de réalisation illustré par la figure 11.

En référence aux figures 1 et 2, un aérogénérateur est classiquement constitué d'une mâture 1, en haut de laquelle est monté un moyeu portant trois pales 3.

On note que, tel que représenté sur la figure 1, la pale 3 qui pointe vers le bas passe au droit de la mâture 1, c'est-à-dire que la pale 3 passe devant la mâture selon une orientation radiale par rapport au moyeu 2.

Selon l'invention, on prévoit des moyens de déport des bords d'attaque 31 des pales 3 pour permettre de limiter les perturbations aérodynamiques dues au passage des pales devant la mâture, ce déport se traduisant en l'occurrence par le fait que l'axe principal 311 (reliant virtuellement le centre de la base de la racine 32 et l'extrémité de la pale opposée à la racine) ne passe pas par l'axe de rotation 21 du moyeu 2. Ceci est clairement illustré par les figures 7 et 11 qui représentent chacune un mode de réalisation de l'invention.

Selon un premier mode de réalisation illustré par la figure 3, le déport du bord d'attaque 31 est un déport dit négatif.

Selon un deuxième mode de réalisation illustré par la figure 4, le déport du bord d'attaque 31 est un déport positif, c'est-à-dire que l'extrémité du bord d'attaque proche du moyeu passe devant la mâture après son autre extrémité opposée (dans l'hypothèse d'une rotation dans le sens horaire sur la figure 4).

Selon une autre caractéristique illustrée par la figure 5, le mât des pales 3 forme un angle a, dans le plan vertical perpendiculaire au plan de rotation des pales, avec l'axe longitudinal de la mâture 1.

A titre indicatif, l'angle a tel qu'il apparaît sur la figure 5 est d'environ 150.

Un déport selon l'invention peut être obtenu en prévoyant de placer une entretoise 4 entre l'extrémité (la racine) de la pale 3 et l'élément du moyeu sur lequel la pale est rapportée, une telle entretoise présentant une surface d'appui avec l'extrémité de la pale et une surface d'appui avec le moyeu, les deux surfaces formant un angle non nul entre elles.

Cet aspect est clairement illustré par les figures 3 et 4 qui montrent une entretoise 4 coudée qui permet de déporter le bord d'attaque selon l'invention.

Les figures 7 à 10 sont des vues successives d'un aérogénérateur dont les pales sont en rotation dans le sens indiqué par la flèche R, les pales étant montées sur le moyeu 2 par l'intermédiaire d'une entretoise 4.

Comme on le remarque clairement sur les figures 7 à 10 sur lesquelles on peut suivre l'une des pales 3 respectivement en position avant la mâture (figure 7), au voisinage de la mâture (figures 8 et 9) et après la mâture (figure 10), l'axe principal 311 et le bord d'attaque 31 occupent une position déportée par rapport à la ligne radiale 11 correspondant à la génératrice de la mâture (celle-ci étant cylindrique ou tronconique) susceptible d'être la plus proche des pales.

Selon un autre mode de réalisation illustré par les figures 11 et 12, les moyens de déports sont essentiellement obtenus à l'aide des logements 22 prévus dans le moyeu 2 pour recevoir la racine de la pale, ou l'entretoise.

Tel que cela apparaît sur la figure 12, les logements 22 présentent chacun un axe longitudinal qui ne passe pas par l'axe de rotation 21 du moyeu 2.

Selon une autre caractéristique, la racine des pales est pourvue d'une bride 5 de fixation de la pale au moyeu. Cette bride pourra être coudée (pour obtenir une configuration coudée similaire à celle illustrée par les figures 3 et 4), ou être droite dans le mode de réalisation illustré par les figures 11 et 12.

Une telle bride est illustrée par la figure 6.

Tel que cela apparaît sur la figure 6, la bride présente des alésages filetés 51 qui s'étendent de façon à déboucher librement en direction du moyeu (non représenté) sur lequel la pale est destinée à être rapportée et solidarisée à l'aide de moyens de vissage coopérant avec les alésages filetés 51.

Cette bride 5 comprend deux parties: une assise 52, dans laquelle sont ménagés des alésages filetés 51, cette assise 52 venant s'adosser contre un épaulement 111 de la racine 1, après solidarisation de la bride 5 et de la racine 32; un élément essentiellement tubulaire 53 s'étendant à partir de l'assise 52, cet élément tubulaire 53 étant coaxial avec la racine 32 et formant moyens de solidarisation de la bride 5 avec la racine 32.

Tel qu'illustré sur la figure 6, la surface externe et la surface interne de l'élément tubulaire 53 présentent chacune une portion conique, respectivement 531, 54 dont les conicités sont inversées (celles-ci ne présentant pas nécessairement le même degré de conicité).

Par ailleurs, des rainures annulaires 55 sont ménagées sur les surfaces internes et externes de la bride 5.

Tel que cela apparaît clairement sur la figure 6, l'élément tubulaire 53 est noyé dans la paroi de la racine 32 (représentée en traits pointillés).

Ainsi, la portion conique 531 de la surface externe, la surface conique 54 de la surface interne et la pluralité de rainures 55 de la bride 5 constituent des moyens de retenue axiale de la bride 5 par rapport à la racine 32.

En d'autres termes, le profil de l'insert composé de sa double conicité permet de reprendre l'effet centrifuge de la pale en rotation combiné au moment d'encastrement du à l'effort aérodynamique (pression exercée par le vent).

Claims (1)

11 REVENDICATIONS

1. Aérogénérateur du type comprenant une mâture (1) à l'extrémité supérieure de laquelle est monté un moyeu (2) portant au moins une pale (3), caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune desdites pales, des moyens de déport du bord d'attaque (31) conçus de façon que l'axe principal s'étendant entre le centre de la base de la racine (32) de la pale et l'extrémité opposée de ladite pale ne passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu (2), permettant de limiter les perturbations aérodynamiques dues au passage desdites pales (3) devant ladite mâture (1) .

2. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déport comprennent au moins une entretoise (4) intercalée entre la racine (32) de chacune desdites pales (3) et ledit moyeu (2), ladite entretoise (4) présentant une surface de contact avec ledit moyeu (2) et une surface de contact avec ladite racine (32) formant un angle non nul entre elles.

3. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déport comprennent des logements ménagés sur ledit moyeu pour recevoir la racine desdites pales, lesdits logements présentant un axe longitudinal qui ne passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu.

4. Aérogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite racine présente au moins deux portions dans le prolongement l'une de l'autre et dont les axes longitudinaux forment un angle non nul entre eux.

5. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque pale (3) est conformée et/ou montée sur ledit moyeu (2) de façon que l'extrémité proximale dudit bord d'attaque (31) par rapport audit moyeu (2), passe devant ladite mâture (1) avant l'extrémité distale dudit bord d'attaque (31).

6. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque pale (3) est conformée et/ou montée sur ledit moyeu (2) de façon que l'extrémité proximale dudit bord d'attaque (31) par rapport audit moyeu (2), passe devant ladite mâture (1) après l'extrémité distale dudit bord d'attaque (31).

7. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque pale est conformée et/ou montée sur ledit moyeu (2) de façon que, dans le plan vertical perpendiculaire au plan de rotation desdites pales (3), le bord d'attaque (31) desdites pales (3) forme un angle non nul avec l'axe longitudinal de ladite mâture (1) lorsque ledit bord d'attaque est sensiblement vertical.

8. Aérogénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite racine desdites pales présente une bride (5) présentant des alésages filetés (51) débouchant librement en direction dudit moyeu (2), ladite bride (5) étant au moins partiellement adossée contre ladite racine (32) et solidarisée avec celle-ci.

9. Aérogénérateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite bride (5) présente au moins deux parties: une assise (52) dans laquelle sont ménagés lesdits alésages filetés; des moyens de solidarisation (53) destinés à assurer la 20 solidarisation de ladite bride (5) à ladite racine (32), et s'étendant à partir de ladite assise (52).

10. Moyeu d'aérogénérateur, caractérisé en ce qu'il présente des logements (22) pour recevoir la racine (32) desdites pales (3), lesdits logements (22) présentant un axe longitudinal qui ne 25 passe pas par l'axe de rotation dudit moyeu (2).