WO2018029417A1 - Volant d'inertie en béton et enveloppe filaire de précontrainte et son procédé de fabrication - Google Patents

Volant d'inertie en béton et enveloppe filaire de précontrainte et son procédé de fabrication Download PDF

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WO2018029417A1
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WO
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concrete
steering wheel
flywheel
fibers
layer
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PCT/FR2017/052138
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Inventor
Andre Genesseaux
Original Assignee
Energiestro
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30—Flywheels
    • F16F15/305—Flywheels made of plastics, e.g. fibre reinforced plastics [FRP], i.e. characterised by their special construction from such materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0241—Fibre-reinforced plastics [FRP]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2226/00—Manufacturing; Treatments
    • F16F2226/04—Assembly or fixing methods; methods to form or fashion parts

Definitions

  • the invention relates to a flywheel for storing kinetic energy, and to a method for manufacturing the same.
  • the invention is more particularly described with regard to a flywheel made of concrete, prestressed, having a high compressive strength, especially greater than 50 or 80, MPa.
  • the flywheels have in known manner a rotating axis, usually vertical, around which is fixed a heavy and resistant mass.
  • the axis is connected to an electric motor that drives it in rotation. After stopping the power supply of the electric motor, the mass of the flywheel having stored kinetic energy continues to rotate and can then restore mechanical energy which is in turn reconverted into electrical energy using the engine as a generator electric.
  • the rotation on itself of the mass creates kinetic energy that can be stored temporarily, for various uses, such as for the smoothing of intermittent renewable energy wind, solar, power supply sites isolated, the return of energy for the braking of vehicles, etc.
  • This known flywheel has the advantage of lower cost compared to other existing wheels, while being resistant through prestressing.
  • the steel compression fibers has the disadvantage of being dense and expensive.
  • the present invention overcomes this situation and proposes a flywheel made of prestressed concrete by winding fibers tensioned, which is easy to manufacture, low cost, while being as powerful, if not more, than existing flywheels. .
  • the flywheel having a mass body of a main material, such as concrete, said body being wrapped on at least a portion of its outer surface with a layer or envelope of reinforcing fibers whose tension winding around the body causes compression of the main constituent material, is characterized in that it comprises an intermediate layer between the fiber layer and the concrete body, filled with a material that can be injected, and in that said fiber layer is impervious to said intermediate layer material.
  • the reinforcing fibers are glass fibers.
  • the material of the intermediate layer is a material on the one hand in the liquid state or a viscosity allowing it to be injected under pressure, and secondly able to harden over time, after injection; as limiting examples, mention may be made of: thixotropic materials (mortar), thermosetting plastic materials, a mixture of water and plaster, resin (for example epoxy).
  • the material of the intermediate layer is mortar, consisting of a mixture of cement, water and sand, without gravel.
  • the glass fiber layer is sealed to the mortar prior to solidification, preferably by resin impregnation.
  • the steering wheel comprises:
  • a vertical axis made of a rigid material, for example steel
  • the glass fibers are preferably of type E, which is the most economical.
  • the resin coating the glass fibers is chosen from those of the polyester, epoxy or polyurethane type.
  • the winding of the fibers is carried out at an angle between 45 ° and 60 °, and preferably 55 °, with respect to the axis of rotation.
  • the fiber layer has a different thickness depending on the area covered with the mass (body) of concrete.
  • the steering wheel further comprises an upper flange and a lower flange integral with the axis and located on either side of the body.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a flywheel, in which: at least one concrete mass is produced by molding, the mass being centered on a longitudinal axis corresponding to the axis of rotation of the flywheel;
  • a material in the liquid / viscous state and capable of hardening (after injection), such as mortar, is injected between the solidified concrete mass and the sealed envelope, under high pressure, so as to generate in said sealed envelope a voltage and on said mass a stress pressure.
  • the tension in the sealed envelope is reflected on the solidified mortar, and thus on the concrete body, which is then in prestressing.
  • a series of prefabricated concrete blocks each provided with a central bore for the passage of the central axis, is molded, then said blocks are passed over the latter, preferably with a slight clearance, and then said envelope of glass fibers (without tension) and injecting a mortar of a viscosity making it possible to inject between the outer surface of the blocks and the inner surface of the fiberglass envelope, to create the intermediate layer.
  • the term "outside" relating to the body of the steering wheel is understood by qualifying the parts facing the outside environment of the steering wheel, as part of a normal installation of the steering wheel.
  • FIG. 3 is an axial sectional view of a half of an alternative embodiment of the wheel of Figure 1;
  • FIG. 4 is an axial sectional view of another embodiment of the steering wheel of Figure 1.
  • FIG. 5 is a partial diagram in section in a diametral plane showing a detail of the part opposite two blocks of the FIG.
  • the steering wheel 1 comprises:
  • a vertical axis 2 made of a rigid material, for example made of steel, a concrete mass 3,
  • the concrete mass 3 is fixed centered around the vertical axis 2.
  • the flywheel 1, and in particular the axis 2 is associated in known manner with a known electric motor / generator and not shown, so that in a first step it can rotate the axis 2 (and therefore the mass 3), then in a second step, once the maximum speed is reached, the steering wheel can drive the engine / generator which will then generate electricity.
  • the axis 2 is associated in known manner with respectively upper and lower bearings, known in themselves and not represented, allowing the secure maintenance of the steering wheel and its rotation, relative to a fixed frame not shown.
  • the general shape of the steering wheel is such that it has three parts, seen along the longitudinal axis XX, namely a substantially hemispherical top portion 1A, a central or central portion (for example about half of its height) cylindrical 1 B and a substantially hemispherical lower part 1C, symmetrical to the upper part 1A.
  • the outer surface of the upper part 1A and lower part 1C is curved, of elliptical or spherical shape.
  • the fibers are wound on a flange respectively upper 6 and lower 7.
  • the two flanges 6 and 7 are centered on the axis 2 and can slide along the latter. They comprise an outer portion respectively 6A and 7A radial massive, a central portion respectively 6B, 7B of smaller diameter for receiving the winding 5, and an inner projecting radial portion respectively 6C, 7C.
  • the inner portions 6C and 7C serve to anchor the flanges 6 and 7 in the winding 5.
  • the outer portions 6A and 7A are used to balance the flywheel (as explained below with reference to Figure 2E).
  • the upper flange 6 is associated with a magnetic levitation bearing (known and not shown).
  • the lower flange 7 comprises a conduit 8, axial direction, for injecting the mortar for forming the intermediate layer 4, as explained later.
  • an O-ring 9A, 9B seals between the axis 2 and the flanges 6 and 7.
  • the axis 2 comprises on a part of its outer surface, in contact with the mass 3 of concrete, projecting elements 10A and 10B and / or recessed portions. These elements 10A, 10B are intended to facilitate the anchoring of the concrete constituting the mass 3 on the axis 2.
  • the concrete is preferably a fiber concrete with a high compressive strength greater than 80 MPa. The higher its resistance, the greater its capacity to store energy.
  • the fibers provide the concrete body with plastic traction behavior for safety purposes. Indeed, in case of incident (crack for example), the concrete body deforms before disintegrating. This deformation can be detected (due to the resulting vibrations) and will stop the steering wheel before breaking.
  • the mortar is a mixture of cement, water and sand, without gravel. It must be very fluid to be pumped and injected under pressure: it is sometimes called a "coulis”.
  • Figures 2A to 2E shows the steering wheel 1 at different stages of the manufacturing process.
  • Figure 2A There is a mold 30 of known type, only half of which is shown in Figure 2A, for conforming the body 3 of concrete.
  • the steel axis 2 is introduced into the mold 30, and protrudes at both ends of the latter.
  • the mold 30 is then filled with concrete.
  • Figure 2B Once the concrete is set or solidified, and has reached sufficient strength, the mold 30 is opened. It thus has the mass / body 3 in which is trapped axis 2 protruding at each end.
  • Figure 2C We put the flanges 6 and 7 on the axis 2, which exceeds them. The flanges 6 and 7 are locked in translation against the body 3. Then, the glass fiber 5 impregnated with resin is wound on the concrete mass 3 and on the central portion 6B, 7B (FIG. 1) of each of the flanges 6, 7, with very little or no tension.
  • FIG. 2D Once the crosslinking of the resin is made, mortar is injected, with a high pressure pump P through the conduit 8 provided in the lower flange 7.
  • the conduit 8 opens at its distal end (the farthest from the concrete body 3) towards the outside and by its proximal end (closest to the body 3) in the space between the body 3 and the winding 5.
  • the pressure mortar exerts pressure on the winding of glass fibers, thereby creating the intermediate layer 4, between the concrete mass 3 and the fiberglass winding 5.
  • the injection pressure of the mortar is measured / controlled by a manometer M.
  • the two flanges 6 and 7 are free in translation so that they can deviate from the body 3. This causes the axial force due to the pressure to be taken up by the winding 5, and not by the axis 2.
  • the injection of grout mortar is carried out at a pressure such that the concrete of the body is prestressed to the desired pressure, or at least 40 MPa. It is necessary to inject at a pressure slightly higher than that desired to take into account the phenomenon of shrinkage of the concrete. It is understood that the winding (or layer) of fibers has two functions:
  • Figure 2 E After a sufficient time for the setting or solidification of the mortar, the wheel 1 is balanced by removal of material on the flanges 6, 7.
  • the filament or fiber winding is similar to that of a pressurized gas tank.
  • the fibers are helically wound at an angle close to 55 °, optimal angle to withstand both the internal pressure and the axial force.
  • the method of the invention has the advantage, compared to known methods of winding under high tension (hooping) of the fibers, to allow better control of the stress setting, because it makes use of a measurement of hydraulic pressure, and not (as in the prior art) a measurement of the tension of a fiber wound at high speed.
  • the method of the invention eliminates the risk of breakage of the fiber since it is wound without tension.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the steering wheel of FIG. 1, in which the thickness of the winding 5 of glass fibers is different according to the zone covered with the body 3.
  • a first winding 51 covers the entire flywheel with a constant thickness of fibers
  • a second winding 52 is made which covers only the central cylindrical portion 1 B of the flywheel which thus creates an extra thickness.
  • the thickness of the winding on the bottoms can be twice as small as that of the cylindrical part.
  • FIG. 4 shows, in an axial section, another variant of the steering wheel of FIG. 1, in which the body is not integral but formed of a series of prefabricated concrete blocks 31 to 35 aligned on the axis 2.
  • a recess 32A, 33A (by reservation during the molding of the blocks) is provided in upper and lower parts, centered on the 2.
  • the recesses have an outer diameter substantially less than the outer diameter of the blocks.
  • An annular spacer 36 made of metal (for example steel) is arranged centered on the axis 2.
  • the spacer has an outside diameter that is slightly smaller than that of the recesses, and is thus able to fit in the recesses 32A and 33A in FIG. look (for the example of blocks 32 and 33), and has a height (axially) as it leaves between the transverse surfaces of the two blocks facing a space or game 37. This allows both to mold the blocks of economic way (so with a free surface even relatively unequal) and to position precisely in the axial direction.
  • the blocks are threaded successively on the axis 2, so as to form the steering wheel, with a hemispherical block 31 and 35 at each end and several (here three) cylindrical blocks 32 to 34.
  • the winding of the fibers is carried out as described above. Since the fibers are wound at a large inclination with respect to the radial direction, they can not penetrate into the space forming the clearance between two consecutive blocks. When injecting the mortar (not shown), the clearance between the blocks is filled with mortar. The blocks will then be welded together to form ultimately a monobloc flywheel.
  • This other variant ( Figure 4) facilitates the manufacture and reduce the cost, since only two molds of relatively small size to manufacture a range of wheels of different sizes and shapes. Having the same diameter, the wheels will have the same maximum speed and can use the same range of engines.
  • the flywheel of the invention has the following characteristics:
  • the diameter of the central cylinder 1 B is 1 m.
  • the thickness of the fiberglass winding 5 is 17 mm.
  • the mass of glass fibers is 0.7 t, which is much lower than the mass of concrete.
  • the glass fibers were wound at an angle of 55 ° with respect to the longitudinal axis of the flywheel, and under a tension that generates a stress of 1500 MPa.
  • the prestress in concrete (compression) is 50 MPa.
  • the steering wheel can rotate up to 4200 rpm, the speed at which the prestress in the concrete becomes zero.
  • the stored energy is then 120 MJ (evening so 33 kWh).
  • the manufacturing method of the invention has the main advantage of only using well-mastered conventional technologies: concrete molding, tension-free fiberglass filament winding, injection of high-pressure mortar, balancing.

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Abstract

Volant d'inertie comportant un corps (3) massique en un matériau principal, tel que du béton, ledit corps étant enveloppé sur au moins une partie de sa surface externe d'une couche ou enveloppe de fibres de renforcement (5) dont la tension d'enroulement autour du corps engendre une mise en compression du matériau constitutif principal, caractérisé en ce qu'il comporte une couche intermédiaire (4) entre la couche de fibres (5) et le corps (3) en béton, constituée d'un matériau susceptible d'être injecté et apte à durcir, et en ce que ladite couche de fibres (5) est étanche audit matériau de la couche intermédiaire. Le matériau de la couche intermédiaire est du type mortier et présente, avant solidification, une viscosité le rendant apte à être pompé et injecté sous pression. La couche de fibres est rendue étanche au mortier par imprégnation de résine.

Description

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

Claims

REVENDICATIONS
Volant d'inertie (1 ) comportant un corps (3) massique en un matériau principal, tel que du béton, ledit corps étant enveloppé sur au moins une partie de sa surface externe d'une couche de fibres de renforcement (5) dont la tension d'enroulement autour du corps (3) engendre une mise en compression du matériau constitutif principal, du type comportant une couche intermédiaire (4) entre la couche de fibres et le corps en béton, remplie d'un matériau susceptible d'être injecté, ladite couche de fibres (5) étant étanche audit matériau de la couche intermédiaire, caractérisé en ce que le volant présente trois parties, vu selon l'axe longitudinal X-X, à savoir :
une partie supérieure bombée (1 A),
une partie centrale ou médiane cylindrique (1 B),
une partie inférieure (1 C) bombée, symétrique à la partie supérieure (1 A).
2. Volant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la partie centrale (1 B) du volant représente de l'ordre de la moitié de la hauteur du volant, et en ce que la surface extérieure des parties supérieure (1 A) et inférieure (1 C) est de forme elliptique ou sphérique.
3. Volant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres de renforcement (5) sont des fibres de verre.
4. Volant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de la couche intermédiaire (4) est un matériau d'une part à l'état liquide ou d'une viscosité lui permettant d'être injecté sous pression, et d'autre part apte à durcir avec le temps, après injection, ledit matériau étant choisi parmi : les matériaux thixotropiques, les matériaux plastiques thermodurcissables, un mélange d'eau et de plâtre, de la résine, du mortier.
Volant selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la couche de fibres de verre (5) est rendue étanche au matériau de la couche intermédiaire (4), par imprégnation de résine.
Volant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un axe vertical (2) en un matériau rigide, par exemple en acier, un corps (3) en béton fixé autour dudit axe vertical, une couche intermédiaire (4) , et une couche de fibres de renforcement en fibres de verre imprégnées de résine.
Volant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enroulement des fibres est réalisé selon un angle entre 45° et 60°, de préférence à 55°, par rapport à l'axe de rotation.
Volant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche de fibres présente une épaisseur différente selon la zone recouverte du corps en béton.
Volant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un flasque supérieur (6) et un flasque inférieur (7) situés de part et d'autre du corps (3).
Procédé de fabrication d'un volant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
on réalise au moins un corps (3) en béton par moulage, la masse étant centrée sur un axe longitudinal correspondant à l'axe de rotation (2) du volant ;
une fois le béton solidifié, on réalise une enveloppe ou enroulement (5) étanche en fibres, de préférence fibres de verre, sur la masse en béton, sans tension ou une tension très faible ; - on injecte entre le corps en béton solidifié et l'enveloppe étanche, sous haute pression, un matériau apte à durcir avec le temps après injection, tel que du mortier, de manière à engendrer, une fois ledit matériau solidifié/durci, dans ladite enveloppe étanche une contrainte de tension et sur ladite masse une contrainte de compression.
1 1 . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on réalise par moulage une série de blocs préfabriqués en béton, pourvus chacun d'un alésage central pour le passage de l'axe central, puis on enfile lesdits blocs sur ce dernier, avec de préférence un léger jeu, puis on réalise ladite enveloppe de fibres (5) sans tension et on injecte du mortier d'une viscosité rendant possible l'injection entre la surface extérieure des blocs et la surface intérieure de l'enveloppe en fibres de verre, pour créer la couche intermédiaire (4).
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