FR2748296A1

FR2748296A1 - Control device for controlling setting of blades of wind turbine to reduce dynamic loading

Info

Publication number: FR2748296A1
Application number: FR9605814A
Authority: FR
Original assignee: RICHER BERTRAND LOUIS ISIDORE
Current assignee: RICHER BERTRAND LOUIS ISIDORE
Priority date: 1996-05-06
Filing date: 1996-05-06
Publication date: 1997-11-07
Anticipated expiration: 2016-05-06
Also published as: FR2748296B1

Abstract

The blade setting control has pneumatic actuators (6,7), acting individually on the rotation of the blades (1,2) to alter their pitch. The effort on the blades is controlled by a servomechanism. The servomechanism has a computer (24) receiving data from angular position detectors (12,13) and pressure transducers (17,20). The computer controls the opening and closing of solenoid valves for admission (16,19) and escape (22) of air to and from the pneumatic actuator to obtain the required pressure on the face of the actuator piston. Flow regulators at the inlet to each actuator slow distribution of air between the actuators. Anti-return valves (21) are placed at the outlets of each actuator.

Description

La présente invention concerne un dispositif de commande de l'angle de calage des pales des aérogénérateurs à axe horizontal. The present invention relates to a device for controlling the pitch angle of the blades of wind turbines with a horizontal axis.

Plus précisément, l'objet de l'invention est de permettre la variation du calage des pales tout en réduisant les charges dynamiques et extrêmes sur ces pales et sur l'ensemble de la structure de l'éolienne. More specifically, the object of the invention is to allow the variation of the pitch of the blades while reducing the dynamic and extreme loads on these blades and on the entire structure of the wind turbine.

L'état antérieur de la technique est représenté par le brevet français nO 2 534 041, déposé le 4 octobre 1982 pour "système d'autorégulation pneumatique passive de la vitesse de pale d'un aérogénérateur, à sécurité positive". Ce même brevet fait référence au brevet nO 1 553 046, déposé le 28 novembre 1967 pour "perfectionnements aux aérogénérateurs". The prior art is represented by French patent No. 2,534,041, filed on October 4, 1982 for "passive pneumatic self-regulation system for the blade speed of an aerogenerator, with positive safety". This same patent refers to patent No. 1,553,046, filed on November 28, 1967 for "improvements to wind turbines".

Selon le brevet nO 1 553 046 l'équilibre entre des masselottes et un ressort est modifié par l'action de la force centrifuge et agit sur la position en rotation des pales de façon à diminuer le calage et la puissance produite par l'hélice. Un ensemble de butées et de ressorts de rappel permet de définir un calage de démarrage et un calage optimal de fonctionnement de l'hélice. According to patent No. 1,553,046 the balance between weights and a spring is modified by the action of centrifugal force and acts on the rotational position of the blades so as to reduce the pitch and the power produced by the propeller. A set of stops and return springs makes it possible to define a starting timing and an optimal timing of the propeller's operation.

Le brevet nO 2 534 041 vise à apporter certaines améliorations au fonctionnement du système faisant l'objet du brevet nO 1 553 046. L'apport principal de la seconde invention représentée par le brevet nO 2 534 041 consiste à remplacer le ressort principal de rappel par un soufflet étanche dont l'effort de poussé est déterminé par la pression de l'air qu'il contient. Patent No. 2,534,041 seeks to bring certain improvements to the operation of the system which is the subject of Patent No. 1,553,046. The main contribution of the second invention represented by Patent No. 2,534,041 consists in replacing the main return spring by a waterproof bellows whose thrust force is determined by the pressure of the air it contains.

Cette disposition permet à la fois un contrôle à distance de la force de poussée et apporte une sécurité supplémentaire par l'adjonction d'un système simple de vidange du soufflet.This arrangement allows both remote control of the thrust force and provides additional security by the addition of a simple bellows emptying system.

Les inventions, ci-dessus mentionnées, ont donc comme caractéristiques principales utiliser la force centrifuge et d'avoir un comportement totalement passif, bien que le brevet nO 2 534 041 mentionne la possibilité d'asservissement de la pression de l'air dans le soufflet en fonction de la puissance fournie par " aérogénérateur. The inventions, mentioned above, therefore have as main characteristics to use centrifugal force and to have a completely passive behavior, although patent No. 2,534,041 mentions the possibility of controlling the air pressure in the bellows. depending on the power supplied by "wind turbine.

La présente invention s'appuie sur des mécanismes différents puisque la force centrifuge n'est pas utilisée en tant que moyen d'action et que l'effet recherché ne consiste pas simplement à réguler la puissance de l'aérogénérateur mais aussi à réduire les charges dynamiques et extrêmes. De plus la présente invention décrit un système qui agit en réduisant l'angle d'incidence et donc en augmentant le calage, alors que les deux autres inventions s'appuient sur un fonctionnement strictement opposé, et exploite la caractéristique de décrochage des profils aérodynamiques. A ces différences ci-dessus mentionnées, on peut ajouter que dans l'invention présente les pales possèdent un comportement indépendant, les unes par rapport aux autres, dans leur mouvement de rotation. Ceci est d'ailleurs la principale caractéristique innovante de l'invention. The present invention relies on different mechanisms since centrifugal force is not used as a means of action and the desired effect is not simply to regulate the power of the wind generator but also to reduce the loads dynamic and extreme. In addition, the present invention describes a system which acts by reducing the angle of incidence and therefore by increasing the timing, while the other two inventions are based on a strictly opposite operation, and exploit the characteristic of stalling of the aerodynamic profiles. To these differences mentioned above, it can be added that in the present invention the blades have an independent behavior, with respect to each other, in their rotational movement. This is, moreover, the main innovative characteristic of the invention.

En fait la description des inventions faisant l'objet des brevets nO 1 553 046 et nO 2 534 041 n'est apportée que pour situer la présente invention dans le contexte technique. In fact, the description of the inventions forming the subject of patents Nos. 1,553,046 and No. 2,534,041 is given only to situate the present invention in the technical context.

Selon un premier objet de l'invention, le dispositif de commande du calage des pales se caractérise en ce que des moyens d'action pneumatiques, par exemple des vérins, sont activés par un ensemble d'électrovannes elles-mêmes commandées par un moyen d'asservissement, par exemple un automate programmable, agissant en fonction d'informations telles que pression, puissance électrique, vitesse de vent et vitesse de rotation. According to a first object of the invention, the device for controlling the setting of the blades is characterized in that pneumatic means of action, for example jacks, are activated by a set of solenoid valves themselves controlled by means of 'servo, for example a programmable controller, acting on information such as pressure, electric power, wind speed and speed of rotation.

Selon un second objet de l'invention, le dispositif de commande de calage se caractérise en ce que la vidange des moyens d'action pneumatiques est réalisée par l'ouverture d'une vanne, des moyens étant prévus pour que cette ouverture intervienne en cas de dépassement d'une certaine vitesse de rotation ou en cas de vibrations excessives, ce qui a pour effet de freiner l'hélice. According to a second object of the invention, the timing control device is characterized in that the emptying of the pneumatic action means is carried out by the opening of a valve, means being provided so that this opening occurs in the event exceeding a certain speed of rotation or in the event of excessive vibration, which has the effect of braking the propeller.

La description suivante des différents modes de réalisation permettra de mieux comprendre l'invention. The following description of the various embodiments will allow a better understanding of the invention.

Cette description fait référence aux dessins fournis en annexe sur lesquels
- la figure 1 représente la disposition des
éléments principaux de l'aérogénérateur,
- la figure 2 montre l'implantation des moyens
d'action pneumatiques,
- la figure 3 le schéma de principe du dispositif
de commande de calage de pales,
- la figure 4 les courbes d'évolution du moment
autour de l'axe longitudinal de la pale en fonction
de l'angle de calage de cette pale et de la vitesse
du vent,
- la figure 5 les courbes d'évolution du moment
de flexion au pied de la pale en fonction de la
vitesse du vent et de l'angle de calage de cette
pale.This description refers to the drawings provided in the appendix on which
- Figure 1 shows the arrangement of
main elements of the wind generator,
- Figure 2 shows the location of the means
pneumatic action,
- Figure 3 the block diagram of the device
blade timing control,
- Figure 4 the evolution curves of the moment
around the longitudinal axis of the blade in function
the pitch angle of this blade and the speed
the wind,
- Figure 5 the evolution curves of the moment
bending at the foot of the blade depending on the
wind speed and setting angle of this
blade.

Le dispositif de commande s'applique à des aérogénérateurs à calage variable de type classique comportant au moins une pale. Selon l'exemple de réalisation cet aérogénérateur (Figure 1) comprend deux pales (1) et (2) montées à calage variable sur un support (3) rotatif autour de l'axe zz'. L'hélice entraine un multiplicateur et une génératrice supportés par la nacelle (4). L'ensemble, solidaire d'un support (5), s'oriente dans le vent autour de l'axe ww' grâce à des moyens d'actions électriques, hydrauliques ou simplement un empennage placé en arrière de la nacelle (4)
Le dispositif de commande du calage des pales est constitué, comme on le voit sur la figure 2, d'un moyen d'action pneumatique agissant sur la rotation de chacune des pales (1 > et (2) autour de l'axe xx'. Dans la réalisation présente le moyen d'action pneumatique est constitué de deux vérins pneumatiques (6) et (7) agissant par l'intermédiaire des transmissions de mouvement (10) et (11) sur l'angle de calage de chacune des pales. Les capteurs de position angulaire (12) et (13) permettent d'obtenir l'information de l'angle de calage des pales nécessaire à l'asservissement.The control device applies to variable-type wind turbines of the conventional type comprising at least one blade. According to the embodiment, this wind turbine (Figure 1) comprises two blades (1) and (2) mounted with variable pitch on a support (3) rotatable around the axis zz '. The propeller drives a multiplier and a generator supported by the nacelle (4). The assembly, integral with a support (5), is oriented in the wind around the axis ww 'by means of electrical, hydraulic actions or simply a tail placed behind the nacelle (4)
The device for controlling the setting of the blades consists, as shown in FIG. 2, of a pneumatic action means acting on the rotation of each of the blades (1> and (2) around the axis xx ' In the present embodiment, the pneumatic action means consists of two pneumatic cylinders (6) and (7) acting by means of the motion transmissions (10) and (11) on the pitch angle of each of the blades. The angular position sensors (12) and (13) make it possible to obtain information on the pitch angle of the blades necessary for the servo-control.

Sur les figures 1 et 2, la référence V indique le sens du vent, R indique la vitesse de rotation de l'hélice, sur la figure 3, S indique la vitesse apparente du vent par rapport à l'élément de pale (1) en rotation autour de zz'. Sur la figure 3 le vérin agissant sur le calage de la pale (1) est représenté en trait continu, alors que celui agissant sur la pale (2) est représenté en trait discontinu. In FIGS. 1 and 2, the reference V indicates the direction of the wind, R indicates the speed of rotation of the propeller, in FIG. 3, S indicates the apparent speed of the wind relative to the blade element (1) rotating around zz '. In Figure 3 the cylinder acting on the setting of the blade (1) is shown in solid lines, while that acting on the blade (2) is shown in broken lines.

La pression à l'intérieur des vérins (6) et (7) peut être réglée à l'aide des électrovannes (16), (19), (22) et (23), lesquelles sont alimentées en air comprimé par le joint tournant (18), l'alimentation en air comprimé peut ainsi être placée à l'extérieur de l'ensemble tournant, par exemple dans la nacelle (4). Les vérins (6) et (7) sont à double effet et il est ainsi possible d'agir non seulement sur la force de poussée des tiges (8) et (9) mais aussi sur la raideur de mouvement de ces tiges. Sommairement on peut affirmer que l'effort de poussée des vérins est fonction de la différence de pression entre les faces du piston (14) et que la raideur est fonction de la moyenne de ces pressions. The pressure inside the cylinders (6) and (7) can be adjusted using the solenoid valves (16), (19), (22) and (23), which are supplied with compressed air by the rotary joint (18), the compressed air supply can thus be placed outside the rotating assembly, for example in the nacelle (4). The jacks (6) and (7) are double acting and it is thus possible to act not only on the pushing force of the rods (8) and (9) but also on the stiffness of movement of these rods. Briefly, it can be stated that the thrust force of the jacks is a function of the pressure difference between the faces of the piston (14) and that the stiffness is a function of the average of these pressures.

Les électrovannes d'admission (16) et (19) ainsi que les électrovannes d'échappement (22) et (23) sont contrôlées par le système d'asservissement électronique (24), celui-ci recevant les informations de pression d'air par les capteurs de pression (17) et (20). Des régleurs de débit (15) sont disposés sur chaque entrée de vérins de façon à ralentir la répartition de l'air entre les vérins et ainsi obtenir un comportement indépendant de chacun de ces vérins pour les phénomènes rapides. On peut considérer un phénomène comme rapide, dés que sa durée est inférieure à la durée de trois ou quatre rotations de l'hélice. Des clapets anti-retour (21) sont disposés sur chaque sortie de vérin de manière à interdire le mélange d'air d'un vérin à l'autre et assurer la vidange rapide en cas d'anomalie. The intake solenoid valves (16) and (19) as well as the exhaust solenoid valves (22) and (23) are controlled by the electronic servo system (24), which receives the air pressure information by the pressure sensors (17) and (20). Flow regulators (15) are arranged on each cylinder inlet so as to slow the distribution of air between the cylinders and thus obtain independent behavior from each of these cylinders for rapid phenomena. We can consider a phenomenon as rapid, as soon as its duration is less than the duration of three or four rotations of the propeller. Non-return valves (21) are arranged on each cylinder outlet so as to prevent air mixing from one cylinder to the other and ensure rapid emptying in the event of an anomaly.

Le système d'asservissement (24) contrôle la position moyenne du calage des pales au moyen des capteurs de position (12) et (13) et agit sur les électrovannes d'admission (16) et (19) ou d'échappement (22) et (23) afin de maintenir le calage optimal correspondant aux conditions de vitesse de vent et de puissance électrique. The servo system (24) monitors the mean position of the pitch of the blades by means of the position sensors (12) and (13) and acts on the intake (16) and (19) or exhaust (22) solenoid valves. ) and (23) in order to maintain the optimal setting corresponding to the wind speed and electrical power conditions.

L'action des forces aérodynamiques sur les pales produit un couple Mx autour de l'axe xx', et un moment de flexion My en pied de pale autour de l'axe yy'. Le moment de flexion My est un paramètre important intervenant dans le dimensionnement des pales et de la structure de l'aérogénérateur, on recherche généralement à en minimiser les fluctuations de façons à réduire les phénomènes de fatigue. L'élasticité procurée par l'utilisation de moyens d'action pneumatiques pour la commande de calage des pales est réglée de manière à ce qu'une variation du couple Mx produise une variation de l'angle de calage a minimisant les variations de My. The action of the aerodynamic forces on the blades produces a torque Mx around the axis xx ', and a bending moment My at the foot of the blade around the axis yy'. The bending moment My is an important parameter involved in the dimensioning of the blades and of the structure of the wind generator, we generally seek to minimize the fluctuations so as to reduce the phenomena of fatigue. The elasticity provided by the use of pneumatic action means for controlling the pitch of the blades is adjusted so that a variation in the torque Mx produces a variation in the pitch angle, minimizing the variations in My.

Le mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention sera mieux compris si l'on se reporte aux figures 4 et 5 représentant l'évolution des moments Mx et My en fonction de l'angle de calage a et de la vitesse du vent V. Le moment de flexion au pied de pale
My peut être rendu constant si l'angle de calage a et la vitesse du vent V sont liés par la relation de dépendance représentée par la droite (27), par exemple pour un moment de flexion MyO, V et a peuvent prendre les valeurs (v a0), (Vl a1), (V2, a2) .. . ces valeurs reportées sur la figure 4 déterminent la droite (26).The operating mode of the device according to the invention will be better understood if reference is made to FIGS. 4 and 5 showing the evolution of the moments Mx and My as a function of the setting angle a and of the wind speed V. The bending moment at the foot of the blade
My can be made constant if the setting angle a and the wind speed V are linked by the dependence relationship represented by the line (27), for example for a bending moment MyO, V and a can take the values ( v a0), (Vl a1), (V2, a2) ... these values reported in FIG. 4 determine the straight line (26).

Cette droite (26) traduit une relation linéaire entre
Mx et a. La pente de cette droite définit une raideur dans la transmission du mouvement entre le vérin pneumatique et la pale, et cette raideur est celle permettant de rendre constant le moment de flexion My en fonction de la vitesse du vent V.This straight line (26) translates a linear relationship between
Mx and a. The slope of this straight line defines a stiffness in the transmission of movement between the pneumatic cylinder and the blade, and this stiffness is that making it possible to make the bending moment My constant as a function of the wind speed V.

Selon une seconde variante de cette invention une vanne (25), placée dans le circuit d'échappement du dispositif, est ouverte par l'action de la force centrifuge sur une petite masselotte. Le tarage d'un ressort de rappel permet de régler le seuil de la vitesse de rotation de l'hélice commandant l'ouverture de la vanne. L'ouverture de cette vanne provoque la mise en drapeau de l'hélice. Ce dispositif permet donc l'arrêt d'urgence de l'aérogénérateur en cas d'anomalie. According to a second variant of this invention, a valve (25), placed in the exhaust circuit of the device, is opened by the action of centrifugal force on a small counterweight. The calibration of a return spring makes it possible to adjust the threshold of the speed of rotation of the propeller controlling the opening of the valve. The opening of this valve causes the propeller to feather. This device therefore allows the emergency shutdown of the wind generator in the event of an anomaly.

Ce n'est qu'à titre d'exemples que l'on a décrit cidessus un mode particulier de réalisation. Cependant l'invention couvre toutes les réalisations mettant en oeuvre de manière identique la combinaison fonctionnelle de moyens caractéristique de l'invention. It is only by way of examples that a particular embodiment has been described above. However, the invention covers all the embodiments implementing in an identical manner the functional combination of means characteristic of the invention.

Claims

1 - Device for controlling the setting of the blades of an aerogenerator equipped with pneumatic action means allowing the reduction of dynamic loads on the blades and the whole structure, characterized in that it is constituted by pneumatic cylinders ( 6) and (7), acting individually on the rotation of blades (1) and (2), and whose thrust force is controlled by a servo composed of a computer (24) receiving information from the angular position sensors (12 ) and (13) and air pressure sensors (17) and (20) and acting on the opening and closing of the intake (16) and (19) and exhaust (22) and ( 23) so as to obtain the required pressure on each face of the piston (14), air flow regulators (15) are placed on each cylinder inlets in the intake circuit in order to slow the distribution of air between the cylinders and, similarly, non-return valves (21) are arranged on each spell cylinder ies in the exhaust circuit so as to avoid this air distribution.

2 - Device according to claim 1, characterized in that it further comprises a valve (25) for feathering the propeller and total shutdown of the wind turbine, arranged in the exhaust circuit of the pneumatic system and operated by centrifugal force.