FR3054268A1 - PALLET FOR MOUNTING ON A WIND TURBINE COMPRISING A TURNING SAIL AROUND A BEAM SLIDED INSIDE. - Google Patents
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Abstract
Il est proposé une pale destinée à équiper des hélices à pas variable d'un aérogénérateur, la pale comportant une voilure formant une surface extérieure allongée rigide procurant une portance maximale selon une direction donnée. Cette pale comporte en outre une poutre se prolongeant à l'intérieur de la voilure selon une direction sensiblement longitudinale. La voilure étant couplée à ladite poutre par au moins deux points d'appui, un premier point d'appui se situant à proximité du pied de pale, et un second point d'appui se situant à l'extrémité de la poutre et comportant un moyen de rotation couplant en rotation la structure interne de la voilure à l'extrémité de la poutre située à l'opposé du pied de pale, la voilure tournant autour de la poutre entre deux positions angulaires données. Cette disposition de pale est capable de s'adapter plus rapidement aux variations d'efforts provoqués par le vent et peut mieux résister aux contraintes exercées par les turbulences. La voilure de la pale est portée par deux appuis suffisamment distants l'un de l'autre pour reprendre efficacement les moments de flexion.It is proposed a blade for fitting variable pitch propellers of an aerogenerator, the blade having a blade forming a rigid elongate outer surface providing maximum lift in a given direction. This blade further comprises a beam extending inside the wing in a substantially longitudinal direction. The wing being coupled to said beam by at least two support points, a first support point being located near the blade root, and a second support point located at the end of the beam and having a rotation means coupling in rotation the internal structure of the wing at the end of the beam located opposite the blade root, the wing rotating around the beam between two given angular positions. This blade arrangement is able to adapt more quickly to the variations of forces caused by the wind and can better withstand the stresses exerted by the turbulence. The wing of the blade is supported by two supports sufficiently distant from each other to effectively take the bending moments.
Description
Le domaine de l’invention est celui des éoliennes dotées d’un moyeu supportant une pluralité de pales disposées radialement, la voilure de chacune de ces pales pouvant tourner sur elle-même une fois montée sur le moyeu de façon à varier son pas. L’invention concerne plus particulièrement le fait que la rotation de la voilure s’effectue autour d’un poutre glissée à l’intérieur et fixée au moyeu.The field of the invention is that of wind turbines provided with a hub supporting a plurality of blades arranged radially, the airfoil of each of these blades being able to rotate on itself once mounted on the hub so as to vary its pitch. The invention relates more particularly to the fact that the rotation of the airfoil takes place around a beam slid inside and fixed to the hub.
2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE2. TECHNOLOGICAL BACKGROUND
Au cours des dernières décennies, les éoliennes, appelées également « aérogénérateurs » sont de plus en plus utilisées et fournissent une part croissante de l’énergie électrique. Au fil des années, les éoliennes ont augmenté en taille pour être plus efficaces et leur puissance dépasse couramment les 3 mégawatts par appareil. Parallèlement à l'augmentation de la taille des éoliennes pour la production d'énergie, les pales de rotor d'éoliennes ont également augmenté en longueur qui s’élève couramment à 40 mètres, et un prototype de 8 Mégawatts est à l’étude avec une pale de 88 mètres de long.In recent decades, wind turbines, also called "wind turbines", are used more and more and provide an increasing share of electrical energy. Over the years, wind turbines have increased in size to be more efficient and their power commonly exceeds 3 megawatts per device. In parallel with the increase in the size of wind turbines for power generation, the rotor blades of wind turbines have also increased in length, which currently amounts to 40 meters, and a prototype of 8 Megawatts is being studied with a blade 88 meters long.
La pale est généralement formée d’une voilure constituée d’une peau reliée au moyeu par des éléments de liaison tels que des vis et des écrous, la peau constitue l’enveloppe extérieure d’un volume comportant éventuellement des nervures pour renforcer la structure. Pour des pales de très grande dimension, l'épaisseur de la voilure est augmentée afin de mieux résister aux forces aérodynamiques. Cette épaisseur entraîne une augmentation du poids très importante. Au fur et à mesure que la taille des éoliennes augmente, il devient également un impératif technique et économique de pouvoir contrôler et minimiser les charges aérodynamiques asymétriques agissant sur l'hélice de manière à réduire les phénomènes de fatigue des matériaux.The blade is generally formed of a blade made up of a skin connected to the hub by connecting elements such as screws and nuts, the skin constituting the outer envelope of a volume possibly comprising ribs to reinforce the structure. For very large blades, the thickness of the blade is increased in order to better resist aerodynamic forces. This thickness leads to a very significant increase in weight. As the size of the wind turbines increases, it also becomes a technical and economic imperative to be able to control and minimize the asymmetrical aerodynamic loads acting on the propeller so as to reduce the fatigue phenomena of the materials.
De nos jours, la quasi totalité des éoliennes sont équipées d’un système de régulation de la puissance. Ce système de régulation est généralement constitué d’un anémomètre pour mesurer la vitesse du vent et d’un dispositif agissant sur la puissance motrice, leur permettant ainsi de s'adapter aux différentes configurations de vent. Cette fonction de régulation et de protection a été assurée par des dispositifs agissant sur divers organes de l'éolienne. De toutes les solutions, celle qui consiste à pivoter les pales suivant leur axe longitudinal est celle qui s'est imposée techniquement et qui est utilisée sur la grande majorité des éoliennes de grande puissance. Lors de vents très puissants ou soufflant en rafale, cette fonction de régulation protège efficacement l’appareil car le pivotement des pales est très rapide. En offrant moins de résrstance au vent, les contraintes sont diminuées, ce qui nécessite des pales moins renforcées et dont plus légères, et par voie de conséquences, les coûts de fabrication sont ainsi diminués.Nowadays, almost all wind turbines are equipped with a power regulation system. This regulation system generally consists of an anemometer to measure the wind speed and a device acting on the driving power, thus allowing them to adapt to different wind configurations. This regulatory and protective function has been ensured by devices acting on various components of the wind turbine. Of all the solutions, the one which consists in pivoting the blades along their longitudinal axis is the one which has imposed itself technically and which is used on the great majority of high power wind turbines. During very strong winds or gusty winds, this regulation function effectively protects the device because the rotation of the blades is very fast. By offering less wind resistance, the stresses are reduced, which requires blades which are less reinforced and which are lighter, and consequently, manufacturing costs are thus reduced.
Le contrôle individuel du pas de chaque pale suppose la maîtrise de deux contraintes techniques principales :The individual pitch control of each blade requires mastering two main technical constraints:
- une rotation libre de la pale autour de son axe longitudinal. Sur les éoliennes connues, cette fonction est assurée par une couronne d'orientation qui doit être fortement précontrainte afin d'éliminer les jeux mécaniques sous forte charge. Cette précontrainte entraîne un couple de rotation élevé et si la vitesse de variation du calage est élevée, une puissance importante sera demandée à l’actionneur;- free rotation of the blade around its longitudinal axis. On known wind turbines, this function is provided by an orientation ring which must be highly prestressed in order to eliminate mechanical play under heavy load. This prestressing causes a high torque and if the speed of variation of the setting is high, a large power will be requested from the actuator;
- une mesure précise de l'effort aérodynamique appliqué sur la pale afin de pouvoir corriger sa valeur par un ajustement de l'angle de calage. Cette mesure est réalisée par des jauges de contraintes placées sur le pied de pale. Un inconvénient de cette solution, est le manque de fiabilité dans le temps et la nécessité de réaliser des étalonnages réguliers. Comme alternative à cette solution, il est possible de mesurer le couple de pivotement au pied de la pale, ce couple étant corrélé plus ou moins étroitement à l'effort de flexion que l'on cherche à contrôler. Mais cette mesure de couple ne peut être utile que si certains effets parasites sont éliminés ou significativement réduits, ces effets parasites sont :- a precise measurement of the aerodynamic force applied to the blade in order to be able to correct its value by adjusting the setting angle. This measurement is carried out by strain gauges placed on the blade root. A drawback of this solution is the lack of reliability over time and the need to carry out regular calibrations. As an alternative to this solution, it is possible to measure the pivoting torque at the foot of the blade, this torque being more or less closely correlated to the bending force that one seeks to control. But this torque measurement can only be useful if certain parasitic effects are eliminated or significantly reduced, these parasitic effects are:
- le couple causé par la précontrainte de la couronne d'orientation,- the torque caused by the prestressing of the slewing ring,
- la déformation de flexion de la pale sous l'effort aérodynamique causant un fort décentrement des points d'application des forces aérodynamiques par rapport à l'axe de pivotement surtout en bout de pale.- the bending deformation of the blade under the aerodynamic force causing a strong decentering of the points of application of the aerodynamic forces relative to the pivot axis especially at the end of the blade.
Il existe donc un réel besoin d’une nouvelle disposition de pales capables de s’adapter plus rapidement aux variations d’efforts provoqués par le vent et plus aptes à résister aux contraintes exercées par les turbulences. Selon un autre objectif, la nouvelle disposition de pale devra être plus légère pour autoriser notamment des longueurs importantes.There is therefore a real need for a new arrangement of blades capable of adapting more quickly to variations in force caused by the wind and more able to withstand the stresses exerted by turbulence. According to another objective, the new blade arrangement will have to be lighter to allow in particular large lengths.
3. EXPOSÉ DE L’INVENTION3. STATEMENT OF THE INVENTION
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé une pale destinée à équiper des hélices à pas variable d’un aérogénérateur, la pale comportant une voilure formant une surface extérieure allongée rigide procurant une portance maximale selon une direction donnée. Cette pale comporte en outre une poutre se prolongeant à l’intérieur de la voilure selon une direction sensiblement longitudinale. La voilure étant couplée à ladite poutre par au moins deux points d’appui, un premier point d’appui se situant à proximité du pied de pale, et un second point d’appui se situant à l’extrémité de la poutre et comportant un moyen de rotation couplant en rotation la structure interne de la voilure à l’extrémité de la poutre située à l’opposé du pied de pale, la voilure tournant autour de la poutre entre deux positions angulaires données.In a particular embodiment of the invention, there is provided a blade intended to equip variable pitch propellers with an aerogenerator, the blade comprising a blade forming a rigid elongated outer surface providing maximum lift in a given direction. This blade further comprises a beam extending inside the wing in a substantially longitudinal direction. The airfoil being coupled to said beam by at least two support points, a first support point being located near the blade root, and a second support point being located at the end of the beam and comprising a rotation means coupling in rotation the internal structure of the blade at the end of the beam located opposite the blade root, the blade rotating around the beam between two given angular positions.
Ainsi, la solution propose une nouvelle disposition de pale qui répartit mieux les efforts en flexion et en torsion sur toute la longueur de la voilure. La voilure de la pale est portée par deux appuis suffisamment distants l'un de l'autre pour reprendre efficacement les moments de flexion qui ont la particularité d'être très importants au point d'attache de la pale avec le moyeu.Thus, the solution offers a new blade arrangement which better distributes the bending and torsional forces over the entire length of the wing. The airfoil of the blade is carried by two supports which are sufficiently distant from each other to effectively take up the bending moments which have the particularity of being very important at the point of attachment of the blade to the hub.
Selon un premier mode de réalisation, la forme de la poutre est tronconique, la plus grande révolution se situant au niveau du pied de pale. De cette manière, la fabrication de la poutre est aisée et la rotation de la voilure est facilitée.According to a first embodiment, the shape of the beam is frustoconical, the greatest revolution being located at the foot of the blade. In this way, the manufacture of the beam is easy and the rotation of the wing is facilitated.
Selon un autre mode de réalisation, le moyen de rotation à l’extrémité de la poutre est un palier rotatif, fixé à une nervure prolongeant transversalement à l’intérieur de la voiture. De cette manière, le couplage entre la poutre et la voilure est assuré.According to another embodiment, the means of rotation at the end of the beam is a rotary bearing, fixed to a rib extending transversely inside the car. In this way, the coupling between the beam and the wing is ensured.
Selon un autre mode de réalisation, la poutre se prolonge à l’intérieur de la voilure sur une longueur variant de 20 à 75 % de la longueur totale de la pale, de préférence 60%. De cette manière, les efforts aérodynamiques appliqués sur la voilure sont repris par la poutre.According to another embodiment, the beam extends inside the blade over a length varying from 20 to 75% of the total length of the blade, preferably 60%. In this way, the aerodynamic forces applied to the wing are taken up by the beam.
Selon un autre mode de réalisation, le point d’appui au niveau du pied de pale est constitué de deux patins cylindriques concentriques, les patins en contact l’un avec l’autre étant recouvert d’un matériau favorisant le glissement. De cette manière, la rotation de la voilure autour de la poutre est facilitée et ne nécessite pas une puissance importante pour contrôler le pas.According to another embodiment, the support point at the foot of the blade consists of two concentric cylindrical pads, the pads in contact with each other being covered with a material promoting sliding. In this way, the rotation of the airfoil around the beam is facilitated and does not require significant power to control the pitch.
Selon un autre mode de réalisation, la voilure est mise en rotation par un servomoteur se situant au niveau du pied de pale, le servomoteur étant accessible par au moins une trappe d’accès découpée dans le bord de fuite de la voilure. De cette manière, la maintenance des équipements placés à l’intérieur des pales est facilitée.According to another embodiment, the wing is rotated by a servomotor located at the foot of the blade, the servomotor being accessible by at least one access hatch cut in the trailing edge of the wing. In this way, the maintenance of the equipment placed inside the blades is facilitated.
Selon un autre mode de réalisation, le servomoteur est commandé par une boucle de régulation prenant notamment en compte l’effort de tangage au pied de pale, et délivrant un signal vers le servomoteur afin de positionner le pas de la pale. De cette manière, le moment fléchissant mesurée sur chaque pale est maintenu à une valeur la plus constante possible.According to another embodiment, the servomotor is controlled by a regulation loop taking into account in particular the pitching force at the foot of the blade, and delivering a signal to the servomotor in order to position the pitch of the blade. In this way, the bending moment measured on each blade is kept at the most constant value possible.
Selon un autre mode de réalisation, la pale comporte au moins un troisième point d’appui se situant entre le premier et le second, reprenant ainsi les forces de flexion de la voilure. De cette manière, la déformation de la voilure suit d’avantage celle de la poutreAccording to another embodiment, the blade has at least a third support point lying between the first and the second, thus taking up the flexing forces of the airfoil. In this way, the deformation of the blade more closely follows that of the beam
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de montage sur un aérogénérateur de pales décrites selon l’un quelconque des paragraphes précédents, comportant notamment les étapes suivantes :In another embodiment of the invention, there is provided a method of mounting on a blade wind generator described according to any one of the preceding paragraphs, comprising in particular the following steps:
- transport des voilures et des poutres de façon séparée,- transport of wings and beams separately,
- montage radial autour du moyeu rotatif de l’aérogénérateur d’une pluralité de poutres,- radial mounting around the rotary hub of the wind generator of a plurality of beams,
- engagement de voilures autour de chaque poutre jusqu’à une profondeur déterminée où les éléments de la voilure et de la poutre constituant chaque moyen de rotation sont en contact,- engagement of canopies around each beam up to a determined depth where the elements of the canopy and of the beam constituting each means of rotation are in contact,
- fixation des éléments de la voilure et de la poutre constituant le moyen de rotation pour interdire la translation de la voilure et de la poutre tout en autorisant la rotation.- Attachment of the elements of the wing and of the beam constituting the means of rotation to prohibit the translation of the wing and of the beam while allowing rotation.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un aérogénérateur comportant sur son moyeu rotatif une pluralité de pales selon l’un quelconque des paragraphes précédents.In another embodiment of the invention, there is proposed an aerogenerator comprising on its rotary hub a plurality of blades according to any one of the preceding paragraphs.
4._LISTE DES FIGURES4._LIST OF FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, and the attached drawings, in which:
la figure 1 est une vue d’ensemble d’une éolienne selon l’invention, la figure 2 présente une vue en perspective d’une pale comportant une poutre à l’intérieur selon un exemple de réalisation, la figure 3 présente une coupe longitudinale de la pale présentant les points de contact entre la poutre et la voilure selon un exemple de réalisation, la figure 4 présente une variante de réalisation dans laquelle le point d’appui au niveau du pied de pale comporte une liaison de type diaphragme.Figure 1 is an overall view of a wind turbine according to the invention, Figure 2 shows a perspective view of a blade having a beam inside according to an exemplary embodiment, Figure 3 shows a longitudinal section of the blade having the points of contact between the beam and the wing according to an exemplary embodiment, FIG. 4 shows an alternative embodiment in which the fulcrum at the level of the blade root comprises a diaphragm type connection.
5. DESCRIPTION DÉTAILLÉE5. DETAILED DESCRIPTION
Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.In all the figures in this document, identical elements are designated by the same reference numeral.
On présente maintenant, en relation avec la Fig. 1, une éolienne selon l’invention comprenant :We now present, in relation to FIG. 1, a wind turbine according to the invention comprising:
- un mât 1 ancré au sol par des fondations,- a mast 1 anchored to the ground by foundations,
- une nacelle 2 abritant une génératrice électrique 3, et une unité de contrôle 4,- a nacelle 2 housing an electric generator 3, and a control unit 4,
- un moyeu 5 situé à l’extrémité de l’arbre d’hélice qui est couplé à la génératrice avec éventuellement un système de démultiplication,- a hub 5 located at the end of the propeller shaft which is coupled to the generator with possibly a reduction system,
- une pluralité de pales 6 montées de façon rotative sur le moyeu, la pale présentant à l’extérieur une voilure.- A plurality of blades 6 rotatably mounted on the hub, the blade having outside a wing.
La rotation de chaque pale entre deux positions angulaires données permet de faire varier son pas et de ce fait, sa portance au vent.The rotation of each blade between two given angular positions makes it possible to vary its pitch and therefore its lift in the wind.
La Fig. 2 présente une vue en perspective d’une pale comportant une poutre à l’intérieur selon un exemple de réalisation de l’invention. La poutre 10 est insérée à l'intérieur de la voilure 11 à partir du pied de pale 12 jusqu’à une profondeur d déterminée et permet la rotation de la voilure autour d’elle. La longueur de la poutre varie de 20 % à 75 % de la longueur totale de la voilure, c’est à dire de la pale puisque la poutre est intégralement recouverte par la voilure.Fig. 2 presents a perspective view of a blade comprising a beam inside according to an exemplary embodiment of the invention. The beam 10 is inserted inside the blade 11 from the blade root 12 to a determined depth and allows the blade to rotate around it. The length of the beam varies from 20% to 75% of the total length of the blade, that is to say of the blade since the beam is completely covered by the blade.
La longueur de la poutre se définit expérimentalement et est un compromis entre différentes contraintes souvent antagonistes, une des contraintes impose de minimiser la déformation de la voilure de manière à ne pas avoir de problème de contact entre l'intérieur de la voilure et l'extérieur de la poutre, cette première contrainte impose un couplage en rotation le plus près possible du pied de pale, la seconde contrainte importante impose de placer le couplage en rotation suffisamment loin du pied de pale de manière à ce que l'axe de pivotement de la pale suive au plus près les sections de la voilure soumises aux efforts aérodynamiques les plus importants. Les efforts aérodynamiques les plus importants se situent dans la zone de 70 à 85 % de l'envergure totale de la pale, ce qui aboutit à une position préférée à 60 %. Ainsi pour une pale de 66 mètres, la poutre insérée à l’intérieur possède une longueur de 39,60 mètres (+/- 2 mètres).The length of the beam is defined experimentally and is a compromise between different often conflicting constraints, one of the constraints requires minimizing the deformation of the wing so as to have no problem of contact between the inside of the wing and the outside of the beam, this first constraint imposes a coupling in rotation as close as possible to the blade root, the second important constraint imposes to place the coupling in rotation sufficiently far from the blade root so that the pivot axis of the blade follows as closely as possible the sections of the wing subjected to the greatest aerodynamic forces. The greatest aerodynamic forces are in the region of 70 to 85% of the total span of the blade, which results in a preferred position at 60%. Thus for a blade of 66 meters, the beam inserted inside has a length of 39.60 meters (+/- 2 meters).
Si le compromis ne se révèle pas satisfaisant, il reste la possibilité d'ajouter un ou plusieurs paliers intermédiaires à mi longueur de la poutre de manière à guider la déformation de la voilure en fonction de celle de la poutre. Par exemple, si un seul palier intermédiaire est posé, sa position se situe à 35% de la longueur de la pale, ce qui offre la possibilité de placer le couplage en rotation à 70 % de la longueur de la pale. Le calcul est un travail d'optimisation dont chaque étape est validée par des calculs de simulation.If the compromise does not prove satisfactory, there remains the possibility of adding one or more intermediate bearings at mid-length of the beam so as to guide the deformation of the airfoil as a function of that of the beam. For example, if only one intermediate bearing is installed, its position is 35% of the length of the blade, which offers the possibility of placing the coupling in rotation at 70% of the length of the blade. The calculation is an optimization work, each step of which is validated by simulation calculations.
La section de la poutre est de préférence conique, ce qui n’exclue pas des sections plus complexes par exemples des tôles soudées en croix. La poutre est de préférence réalisée en matériaux composites, principalement pour des raisons de poids, mais il est possible, étant donnée la forme simple de cet élément, de la réaliser en acier ou tout autre matériau économiquement intéressant.The section of the beam is preferably conical, which does not exclude more complex sections, for example sheets welded crosswise. The beam is preferably made of composite materials, mainly for weight reasons, but it is possible, given the simple shape of this element, to make it out of steel or any other economically interesting material.
La Fig. 3 présente une coupe longitudinale de la pale mettant en évidence les points de contact entre la poutre et la voilure selon un exemple de réalisation. La poutre est au contact avec la voilure par au moins deux points d’appuis. De cette façon, la structure externe de la pale constituant la voilure est supportée par un appui au niveau du cylindre constituant le pied de pale 12 et au moins un autre appui à l'extrémité de la poutre.Fig. 3 shows a longitudinal section of the blade showing the points of contact between the beam and the wing according to an exemplary embodiment. The beam is in contact with the wing by at least two support points. In this way, the external structure of the blade constituting the airfoil is supported by a support at the level of the cylinder constituting the base of the blade 12 and at least one other support at the end of the beam.
Selon un mode préféré de réalisation, le point d’appui à l’extrémité de la poutre est constitué d’une liaison rotule 14 composée de deux anneaux concentriques. L’anneau intérieur est mécaniquement lié à l’extrémité de la poutre, et l’anneau extérieur est mécaniquement fixé à une nervure 13 transversale de la voilure. Cette liaison rotule autorise les rotations suivant les trois axes dont l'axe longitudinal de la pale et ainsi permet le réglage du calage de la pale. Selon une variante, un roulement à bille est rajouté à la rotule pour assurer la fonction de rotation suivant l'axe longitudinal, cet équipement réduit le plus possible le couple de frottement en rotation.According to a preferred embodiment, the support point at the end of the beam consists of a ball joint 14 made up of two concentric rings. The inner ring is mechanically linked to the end of the beam, and the outer ring is mechanically fixed to a transverse rib 13 of the wing. This ball joint connection allows rotations along the three axes including the longitudinal axis of the blade and thus allows adjustment of the pitch of the blade. According to a variant, a ball bearing is added to the ball joint to ensure the rotation function along the longitudinal axis, this equipment reduces as much as possible the friction friction torque.
A cette liaison rotule est adjoint un système d'attache en bout de poutre pouvant être manipulé à distance depuis le pied de pale. L'extrémité de l'axe fileté de la rotule s'engage dans une pièce métallique percée en bout de poutre, dans la partie interne de la poutre un élément pivotant et taraudé est vissé sur l'axe de rotule. Le vissage de cet élément est commandé depuis le pied de pale par un axe guidé le long de l'intérieur de la poutre et actionne par l'intermédiaire d'un démultiplicateur à engrenage la rotation de l'élément vissé sur l'axe de la rotule. Cet élément de liaison doit être dimensionné pour supporter les forces centrifuges agissant sur la masse de la voilure et cela quelque soit la vitesse de rotation du rotor. Une variante de ce système de liaison consisterait à utiliser une commande hydraulique pour assurer ce vissage à distance ou tout autre système de blocage d'un axe dans un alésage comme le frettage.To this ball joint connection is added a fastening system at the end of the beam which can be manipulated remotely from the blade root. The end of the threaded axis of the ball joint engages in a metal part pierced at the end of the beam, in the internal part of the beam a pivoting and tapped element is screwed onto the ball joint axis. The screwing of this element is controlled from the blade root by an axis guided along the inside of the beam and activates by means of a gear reduction gearbox the rotation of the screwed element on the axis of the patella. This connecting element must be dimensioned to support the centrifugal forces acting on the mass of the airfoil, regardless of the speed of rotation of the rotor. A variant of this connection system would consist in using a hydraulic control to ensure this remote screwing or any other system for blocking an axis in a bore such as hooping.
Au niveau du pied de pale, l’appui entre la voilure et la poutre est réalisé par deux cylindres circulaires coaxiaux et coulissants, dont les surfaces en vis à vis se trouvent placées à l'intérieur de la voilure et à l'extérieur de la poutre centrale. Cet appui est libre en rotation par le glissement des surfaces d'appui, un léger déplacement longitudinal est également autorisé par le coulissement des surfaces d'appui. Les surfaces en contact sont avantageusement constituées de patins 15 recouverts d’un matériau à faible coefficient de frottement et résistant à l’usure, du polytétrafluoroéthylène (ou PTFE en abrégé) par exemple.At the foot of the blade, the support between the wing and the beam is produced by two coaxial and sliding circular cylinders, the facing surfaces of which are placed inside the wing and outside the central beam. This support is free to rotate by the sliding of the support surfaces, a slight longitudinal movement is also authorized by the sliding of the support surfaces. The contacting surfaces advantageously consist of pads 15 covered with a material with a low coefficient of friction and resistant to wear, for example polytetrafluoroethylene (or PTFE for short).
La force de poussée exercée par le vent sur la pale est majoritairement reprise par la rotule déportée vers le milieu de la pale, ainsi la force de poussée résiduelle au niveau du pied de pale est facilement reprise par les patins.The thrust force exerted by the wind on the blade is mainly taken up by the ball joint offset towards the middle of the blade, so the residual pushing force at the foot of the blade is easily taken up by the skids.
Un tel montage s’écarte nettement des dispositions connues consistant à utiliser une couronne d'orientation dont le diamètre est limité à celui du pied de pale et pour laquelle l'effort dominant est un effort de flexion. L'éloignement important des points d'appui caractérisant l'invention, permet l'utilisation de paliers qui seront soumis principalement à des forces radiales, plus faciles à maîtriser et à des forces de frottement bien inférieures à celles d'une couronne d'orientation.Such an assembly differs clearly from the known arrangements consisting in using an orientation crown whose diameter is limited to that of the blade root and for which the dominant force is a bending force. The significant distance of the support points characterizing the invention, allows the use of bearings which will be subjected mainly to radial forces, easier to control and to friction forces much lower than those of a slewing ring .
Sur une pale d'éolienne le moment fléchissant est très faible en bout de pale et augmente rapidement pour devenir maximal au pied de pale. La présence de la poutre à l’intérieur et des points d’appui la couplant avec la voilure permet de transférer ce moment fléchissant depuis la voilure de la pale vers la poutre intérieure. De cette manière, à partir de l'appui rotule et en allant vers le pied de pale, l'effort fléchissant supporté par la voilure extérieure de la pale diminue pour s’annuler totalement au niveau du pied de pale du fait de la liaison libre en rotation suivant les 3 axes. Le moment fléchissant continue d'augmenter sur la poutre interne en allant vers le pied de pale. Cet effet de transfert de charge a pour avantage de reporter la masse de la structure depuis la voilure 11 vers la poutre 10 et ainsi de ne pas augmenter sensiblement la masse totale de la pale.On a wind turbine blade the bending moment is very weak at the blade tip and increases rapidly to become maximum at the foot of the blade. The presence of the beam inside and the points of support coupling it with the blade allows this bending moment to be transferred from the blade blade to the interior beam. In this way, starting from the ball joint support and going towards the blade root, the bending force supported by the outer blade of the blade decreases to vanish completely at the blade root due to the free connection in rotation along the 3 axes. The bending moment continues to increase on the internal beam going towards the blade root. This load transfer effect has the advantage of transferring the mass of the structure from the airfoil 11 towards the beam 10 and thus does not significantly increase the total mass of the blade.
La fixation de la poutre sur le moyeu 5 s’effectue selon une technique connue en soi, par des vis et des écrous par exemple. Ce mode de fixation est beaucoup plus simple que ceux consistant à incorporer un mécanisme de rotation de la pale. Selon la présente invention, le servomoteur commandant la rotation de la voilure autour de la poutre se situe au niveau du pied de pale, de préférence dans le bord de fuite de la voilure. En effet, à cet endroit se trouve un volume suffisamment important et protégé pour placer des dispositifs volumineux. Des trappes d’accès sont pratiquées dans la voilure pour accéder au servomoteur. La présente invention autorise la découpe de la voilure au niveau du pied de pale, à cause du transfert des efforts fléchissant de la voilure vers la poutre centrale au fur et à mesure que l'on se rapproche du pied de pale. Ces trappes d'accès de l'extérieur vers l'intérieur de la voilure ne compromettent pas la solidité globale de la voilure qui sera beaucoup moins sollicitée à cet endroit. Du dessus de la nacelle de l'éolienne, endroit facilement accessible pour les éoliennes connues, des opérateurs peuvent facilement accéder à l'intérieur de la voilure.The fixing of the beam on the hub 5 is carried out according to a technique known per se, by screws and nuts for example. This method of attachment is much simpler than those of incorporating a blade rotation mechanism. According to the present invention, the servomotor controlling the rotation of the blade around the beam is located at the foot of the blade, preferably in the trailing edge of the blade. Indeed, at this location is a volume large enough and protected to place bulky devices. Access hatches are made in the wing to access the servomotor. The present invention allows the cutting of the airfoil at the foot of the blade, because of the transfer of the bending forces from the airfoil to the central beam as one approaches the foot of the blade. These access hatches from the outside to the inside of the airfoil do not compromise the overall strength of the airfoil which will be much less stressed at this location. From the top of the wind turbine nacelle, an easily accessible place for known wind turbines, operators can easily access the interior of the wing.
Le servomoteur est commandé par une boucle de régulation comprenant une unité de contrôle recevant des informations de capteurs et actionnant le servomoteur commandant la rotation de la voilure autour de la poutre. Le capteur permet de mesurer l'effort de tangage au pied de pale (appelé également « pitch moment »). La présente invention permet de positionner le centre de poussée aérodynamique par rapport à l’axe de pivotement de la pale, de façon à rendre ladite poussée aérodynamique sur l’ensemble de la pale proportionnelle au moment de tangage mesuré au pied de la pale. La régulation comporte une boucle dite « primaire » qui agit collectivement sur le pas de l’ensemble des pales pour maintenir la puissance de l’éolienne en-dessous d’une valeur nominale. La régulation comporte une boucle dite « secondaire » qui agit individuellement sur chaque pale. Cette boucle secondaire prend en compte la valeur de l’effort de tangage mesuré au pied de chaque pale, c’est à dire le moment fléchissant et agit sur le pas de cette pale pour le maintenir le plus constant possible. Le temps de réponse de la boucle secondaire est plus rapide que celui de la boucle primaire.The servomotor is controlled by a regulation loop comprising a control unit receiving information from sensors and actuating the servomotor controlling the rotation of the airfoil around the beam. The sensor makes it possible to measure the pitching force at the foot of the blade (also called "pitch moment"). The present invention makes it possible to position the center of aerodynamic thrust with respect to the pivot axis of the blade, so as to make said aerodynamic thrust over the whole of the blade proportional to the pitching moment measured at the foot of the blade. The regulation includes a loop called "primary" which acts collectively on the pitch of all the blades to keep the power of the wind turbine below a nominal value. The regulation includes a so-called “secondary” loop which acts individually on each blade. This secondary loop takes into account the value of the pitching force measured at the foot of each blade, that is to say the bending moment and acts on the pitch of this blade to keep it as constant as possible. The response time of the secondary loop is faster than that of the primary loop.
Selon un exemple de réalisation, le capteur mesure la pression dans un vérin intégré dans le servomoteur ou une grandeur électrique (tension, courant) si l’actionneur est complètement électrifié. De cette façon, l’ensemble commande/mesure est parfaitement compact et il est inutile de placer de capteurs à d’autres endroits de la pale. La réponse à l'effort de tangage est un mouvement de tangage, c'est pour cette raison que le capteur et l'actionneur sont concernés par le même degré de liberté de la pale. Selon un autre exemple de réalisation, l'actionneur est un ressort avec une raideur contrôlée, un tel mécanisme est quelquefois présent sur les suspensions hydropneumatiques ou les suspensions de voiture de compétition.According to an exemplary embodiment, the sensor measures the pressure in a cylinder integrated in the servomotor or an electrical quantity (voltage, current) if the actuator is completely electrified. In this way, the control / measurement unit is perfectly compact and there is no need to place sensors at other places on the blade. The response to the pitching force is a pitching movement, it is for this reason that the sensor and the actuator are affected by the same degree of freedom of the blade. According to another exemplary embodiment, the actuator is a spring with a controlled stiffness, such a mechanism is sometimes present on hydropneumatic suspensions or suspensions of competition cars.
Selon un perfectionnement décrit pas la Fig. 4, le point d’appui au niveau du pied de pale possède une liberté de mouvement en rotation obtenu par une liaison de type diaphragme 16 entre la voilure et un des tubes coulissants 15 autour du pied de pale. Cette liaison diaphragme assure une bonne étanchéité à la pluie notamment, et une mobilité accrue. Selon une variante, cette liaison peut être réalisée par une rotule simple, constituée d’un anneau bombé en périphérie.According to an improvement described in FIG. 4, the fulcrum at the blade root has freedom of rotational movement obtained by a diaphragm type connection 16 between the blade and one of the sliding tubes 15 around the blade root. This diaphragm connection ensures a good seal against rain in particular, and increased mobility. Alternatively, this connection can be achieved by a simple ball joint, consisting of a domed ring at the periphery.
La disposition de pale ainsi décrite permet de surmonter certaines limitations propres aux conceptions des grandes éoliennes mises au point au moment du dépôt de la présente demande et ainsi faciliter le contrôle individuel de chaque pale, tout en apportant une simplification et une augmentation de fiabilité pour des éoliennes de petite et moyenne taille.The blade arrangement thus described makes it possible to overcome certain limitations specific to the designs of large wind turbines developed at the time of filing of this application and thus facilitate the individual control of each blade, while providing simplification and increased reliability for small and medium-sized wind turbines.
Dans certaines configurations d'efforts extrêmes, la voilure se déforme, ce qui peut mettre en contact sa surface interne avec la surface extérieure de la poutre. Pour éviter cette situation et selon un perfectionnement, un ou plusieurs paliers intermédiaires sont placés entre les deux extrémités de la poutre. Ces paliers intermédiaires comportent une liaison en rotation, soit par roulement ou bagues de glissement, montées sur une ou des structures déformables liées à la voilure externe. Des longerons, utilisés dans les structures classiques de pales d'éolienne et destinés à reprendre les efforts de cisaillement et assurer une tenue au flambement adéquate, sont notamment utilisés pour réaliser la structure porteuse du ou des paliers intermédiaires.In certain configurations of extreme forces, the airfoil deforms, which can bring its internal surface into contact with the external surface of the beam. To avoid this situation and according to an improvement, one or more intermediate bearings are placed between the two ends of the beam. These intermediate bearings comprise a connection in rotation, either by rolling or sliding rings, mounted on one or more deformable structures linked to the external wing. Longers, used in conventional wind turbine blade structures and intended to take up shear forces and ensure adequate buckling resistance, are used in particular to produce the support structure of the intermediate bearing or bearings.
Les éoliennes de grande puissance soulèvent des problèmes de transport et de manutention du fait des dimensions importantes de certains éléments comme les pales. La disposition de pale ainsi décrite, du fait de la reprise des efforts de flexion par un élément central monobloc, est plus facilement subdivisible en sous éléments de taille plus modeste. La longueur des pales telles que décrites dans la présente demande, peut être largement réduit jusqu'à une division par deux de la longueur du plus grand élément par rapport à la longueur de la pale complète.Large wind turbines raise transport and handling problems due to the large dimensions of certain elements such as blades. The blade arrangement thus described, due to the resumption of bending forces by a central one-piece element, is more easily subdivided into sub-elements of more modest size. The length of the blades as described in the present application can be greatly reduced up to a halving of the length of the largest element relative to the length of the complete blade.
En utilisant la disposition objet de la demande, il est possible de placer un actionneur et un guidage en translation au niveau de la liaison entre extrémité de poutre et voilure, et ainsi permettre des mouvements dans le sens bord d'attaque/bord de fuite.By using the arrangement which is the subject of the request, it is possible to place an actuator and a guide in translation at the connection between the end of the beam and the wing, and thus allow movements in the leading edge / trailing edge direction.
Une gestion adéquate de ces mouvements permet d'amortir les phénomènes de résonnance de la pale suivant cette direction. Cette liberté de mouvement est également mise à profit pour ajuster le couplage entre la force de portance aérodynamique et le couple de rotation longitudinal (moment de tangage).Adequate management of these movements makes it possible to dampen the resonance phenomena of the blade in this direction. This freedom of movement is also used to adjust the coupling between the aerodynamic lift force and the longitudinal rotation torque (pitching moment).
Le montage de ce type de pale sur une éolienne est facilité du fait de la disposition en deux parties : la voilure et la poutre. Il est maintenant décrit un exemple de procédure d’installation d’une éolienne équipée de pales décrites dans la présente demande. Dans un premier temps, les voilures et les poutres sont transportées séparément sur le lieu d’installation. Le mat et la nacelle sont montés. Puis les poutres sont fixées de façon radiale autour du moyeu rotatif de l’aérogénérateur. Les voilures sont alors engagées autour de chaque poutre jusqu’à une profondeur déterminée où les éléments de la voilure et de la poutre constituant chaque moyen de rotation sont en contact. Les points d’appui sont couplés et solidarisés, de façon à assurer une rotation sans frottement de la voilure autour de la pale et une fixation en translation de la voilure de façon qu’elle ne se désengage pas de sa poutre lors de la rotation de l’hélice.The mounting of this type of blade on a wind turbine is facilitated by the arrangement in two parts: the blade and the beam. There is now described an example of a procedure for installing a wind turbine equipped with blades described in the present application. First, the wings and beams are transported separately to the installation site. The mast and the nacelle are assembled. Then the beams are fixed radially around the rotary hub of the wind turbine. The airfoils are then engaged around each beam to a determined depth where the elements of the airfoil and of the beam constituting each means of rotation are in contact. The support points are coupled and secured, so as to ensure a frictionless rotation of the airfoil around the blade and a fixing in translation of the airfoil so that it does not disengage from its beam during the rotation of the propeller.
La disposition de pale décrite dans la présente demande procure de nombreux avantages dont notamment :The blade arrangement described in the present application provides numerous advantages, in particular:
- économie de la couronne d'orientation entre le pied de pale et le moyeu, remplacée par un roulement et une rotule ou un roulement unique de quelques kilogrammes en bout de poutre et un dispositif de guidage par glissement coaxial en pied de pale;- economy of the slewing ring between the blade root and the hub, replaced by a bearing and a ball joint or a single bearing of a few kilograms at the end of the beam and a device for guiding by coaxial sliding at the foot of the blade;
- quasi élimination des forces de frottement en rotation procurant un moyen d'évaluation précis des forces agissant sur la pale et une faible puissance demandée à l'actionneur de contrôle du calage;- virtual elimination of friction forces in rotation providing a means of precise evaluation of the forces acting on the blade and a low power required from the timing control actuator;
- sur la zone couverte par la poutre les efforts sur la voilure externe de la pale sont largement diminués, ce qui procure plus de liberté au concepteur pour optimiser la forme extérieure de la pale par rapport aux aspects aérodynamiques, alors que sur la solution classique la forme de la pale, au fur et à mesure que l'on se rapproche du pied, est optimisée pour les contraintes mécaniques ce qui va à l'encontre des performances aérodynamiques ;- on the area covered by the beam, the forces on the outer blade of the blade are greatly reduced, which gives the designer more freedom to optimize the outer shape of the blade in relation to aerodynamic aspects, while on the conventional solution the shape of the blade, as one gets closer to the foot, is optimized for mechanical stresses which goes against aerodynamic performance;
- la poutre centrale est de forme conique ce qui rend sa fabrication réalisable avec des procédés de fabrication des structures composites qui peuvent être automatisés comme l'enroulement filamentaire;- The central beam is conical in shape which makes it possible to manufacture it with processes for manufacturing composite structures which can be automated, such as filament winding;
- la poutre qui supporte la majorité des efforts peut être fabriquée en une seule pièce sans recours à des joints de collage qui restent un des points délicats à traiter avec la conception classique;- The beam which supports the majority of efforts can be manufactured in one piece without the use of bonding joints which remain one of the delicate points to be treated with the conventional design;
- dans les équipements existants, le fléchissement de la pale induit le déport du point d'application des forces aérodynamiques par rapport à l'axe de pivotement de la pale. La disposition décrite dans la présente demande permet de réduire significativement cet inconvénient car l'appui en bout de poutre accompagne le fléchissement de la voilure et ainsi l'axe de pivotement bascule avec la pale;- in existing equipment, the deflection of the blade induces the offset of the point of application of the aerodynamic forces relative to the pivot axis of the blade. The arrangement described in the present application makes it possible to significantly reduce this drawback since the support at the end of the beam accompanies the deflection of the airfoil and thus the pivot axis rocks with the blade;
- la couronne d'orientation assurant la liaison en rotation avec le moyeu de l'hélice soumise à des moments de flexion très importants se déforme en produisant un effet de levier qui augmente significativement la traction sur les goujons de fixation. L'absence de couronne d'orientation simplifie la conception de la liaison entre le pied de la poutre et le moyeu de l'hélice;- The slewing ring ensuring the connection in rotation with the hub of the propeller subjected to very large bending moments is deformed, producing a lever effect which significantly increases the traction on the fixing studs. The absence of an orientation ring simplifies the design of the connection between the foot of the beam and the propeller hub;
- la disposition décrite dans la présente demande apporte un gain très important en termes de sécurité, car elle autorise une mise en drapeau de la pale si l'effort de contrôle du calage vient à disparaître pour une cause accidentelle. Dans les équipements existants, le système de contrôle du calage doit prévoir une alimentation électrique de sauvegarde ou d'un réservoir d'air comprimé permettant d'assurer cette fonction en cas de défaut. La disposition décrite dans la présente permet à la force du vent elle même d’assurer le pivotement en position de sécurité.- The arrangement described in the present application brings a very significant gain in terms of safety, because it allows feathering of the blade if the timing control effort disappears for an accidental cause. In existing equipment, the timing control system must provide a backup power supply or a compressed air tank to perform this function in the event of a fault. The arrangement described herein allows the force of the wind itself to pivot in the safety position.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes.It should be obvious to those skilled in the art that the present invention allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention as claimed. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration but may be modified in the field defined by the scope of the appended claims.
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Legal Events
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