FR3055039A1 - CONCRETE INERTILE WHEEL AND WIRE PRE-STRENGTH ENVELOPE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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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.Flywheel having a mass body (3) of a main material, such as concrete, said body being wrapped on at least a part of its outer surface with a layer or envelope of reinforcing fibers (5) whose tension winding around the body causes compression of the main constituent material, characterized in that it comprises an intermediate layer (4) between the fiber layer (5) and the body (3) of concrete, consisting of a material capable of being injected and able to harden, and in that said fiber layer (5) is tight to said material of the intermediate layer. The material of the intermediate layer is of the mortar type and has, before solidification, a viscosity that makes it suitable for being pumped and injected under pressure. The fiber layer is sealed to the mortar by impregnation with resin.
Description
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57649 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE57649 ® FRENCH REPUBLIC
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :NATIONAL INSTITUTE OF INDUSTRIAL PROPERTY © Publication number:
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COURBEVOIE ©IntCI8: F16 F15/30 (2017.01)COURBEVOIE © IntCI 8 : F16 F15 / 30 (2017.01)
DEMANDE DE BREVET D'INVENTIONPATENT INVENTION APPLICATION
A1A1
loAJ VOLANT D'INERTIE EN BETON ET ENVELOPPE FILAIRE DE PRECONTRAINTE ET SON PROCEDE DE FABRICATION.LOAJ FLYWHEEL OF CONCRETE INERTIA AND WIRE ENCLOSURE OF PRE-STRESS AND ITS MANUFACTURING METHOD.
FR 3 055 039 - A1 _ 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.FR 3 055 039 - A1 _ Flywheel comprising a body (3) made of a main material, such as concrete, said body being enveloped on at least part of its external surface with a layer or envelope of fibers reinforcement (5) whose winding tension around the body generates a compression of the main constituent material, characterized in that it comprises an intermediate layer (4) between the fiber layer (5) and the body (3) made of concrete, made of a material capable of being injected and capable of hardening, and in that said layer of fibers (5) is impermeable to said material of the intermediate layer. The material of the intermediate layer is of the mortar type and has, before solidification, a viscosity making it suitable for being pumped and injected under pressure. The fiber layer is made waterproof to the mortar by impregnating with resin.
ΊΟΒΊΟΒ
VOLANT D’INERTIE EN BÉTON ET ENVELOPPE FILAIRE DE PRÉCONTRAINTESTEERING WHEEL OF CONCRETE AND WIRE ENCLOSURE OF PRESSURE
ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATIONAND MANUFACTURING METHOD THEREOF
L’invention concerne un volant d’inertie destiné à stocker de l’énergie cinétique, et son procédé de fabrication.The invention relates to a flywheel for storing kinetic energy, and its manufacturing process.
L'invention est plus particulièrement décrite en regard d’un volant fabriqué à base de béton, précontraint, présentant une résistance élevée à la îo compression, notamment supérieure à 50, voire 80, MPa.The invention is more particularly described with regard to a steering wheel made from prestressed concrete, having a high resistance to compression, in particular greater than 50, or even 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.The flywheels comprise in known manner a rotating axis, usually vertical, around which is fixed a heavy and resistant mass. The axle is connected to an electric motor which drives it in 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.After stopping the 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 converted into electric energy by using the motor as generator electric.
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.The rotation of the mass on itself creates kinetic energy which can thus be temporarily stored, for various uses, such as for the smoothing of intermittent renewable energies of wind, solar type, the supply of electricity to sites isolated, restitution of energy for braking vehicles, 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.Compared to electrical energy storage devices such as electric accumulators, flywheels have an almost unlimited life, reducing the cost of 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.The centrifugal force undergone by the mass of the flywheel, due to the very high speeds, causes very high tensile stresses for the material constituting the mass.
Afin de rendre le corps résistant à cet égard, on a proposé, par la demande de brevet français n° 14/02430, au nom du cbmandeur, un volant d’inertie dont la masse est en béton et est soumise à une précontrainte de compression.In order to make the body resistant in this respect, French patent application No. 14/02430 has proposed, in the name of the operator, a flywheel whose mass is made of concrete and is subjected to compression preload .
îo 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.îo To this end, this known flywheel has a mass surrounded / wrapped on at least part of its external surface of steel reinforcing fibers, the winding tension around the mass generates a compression of the material constituting said mass. The concrete used has a compressive strength of at least 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.This known flywheel has the advantage of a lower cost price than other existing flywheels, while being resistant thanks to prestressing.
Cependant, ce volant connu est susceptible d’amélioration.However, this known steering wheel is capable of improvement.
En effet, l’acier des fibres de mise en compression présente l’inconvénient d’être dense et onéreux.Indeed, the steel of the compression fibers has the disadvantage of being dense and expensive.
L’utilisation de fibres de verre (au lieu d’acier) permet de remédier à ce double problème (poids et coût).The use of glass fibers (instead of steel) overcomes this double problem (weight and cost).
Néanmoins, l’enroulement sous tension de fibres de verre soulève une difficulté.Nevertheless, the winding under tension of glass fibers raises a difficulty.
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.Glass fibers, by definition fragile and brittle, are very difficult to wind at high speed while exerting a high tension, necessary for the compression of the concrete forming the mass.
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.The present invention remedies this situation and proposes a flywheel made of prestressed concrete by winding tensioned fibers, which is easy to manufacture, low cost, while being as efficient, or even more, than existing flywheels. .
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.According to the invention, the flywheel comprising a mass body made of a main material, such as concrete, said body being enveloped on at least part of its external surface with a layer or envelope of reinforcing fibers whose tension winding around the body generates a compression of the main constituent material, is characterized in that it comprises an intermediate layer between the layer of fibers and the concrete body, filled with a material capable of being injected, and in that said layer of fibers is impermeable to said material of the intermediate layer.
De manière avantageuse, les fibres de renforcement sont des fibres de verre.Advantageously, the reinforcing fibers are glass fibers.
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).The material of the intermediate layer is a material on the one hand in the liquid state or of a viscosity allowing it to be injected under pressure, and on the other hand capable of hardening over time, after injection; as limiting examples, one can quote: thixotropic materials (mortar), thermosetting plastic materials, a mixture of water and plaster, resin (for example epoxy).
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.According to an advantageous example, the material of the intermediate layer is mortar, formed from a mixture of cement, water and sand, without gravel.
La couche de fibres de verre est rendue étanche au mortier avant sa solidification, de préférence par imprégnation de résine.The layer of glass fibers is sealed against the mortar before it solidifies, preferably by impregnation with resin.
Plus particulièrement, le volant comprend :More specifically, the steering wheel includes:
- un axe vertical, en un matériau rigide, par exemple en acier ;- a vertical axis, made of a rigid material, for example steel;
- un corps (ou masse) en béton fixé autour dudit axe vertical ;- a concrete body (or mass) fixed around said vertical axis;
- une couche intermédiaire en mortier ; et- an intermediate layer of mortar; and
- un enroulement ou couche en fibres de verre imprégnées de résine.- a winding or layer of glass fibers impregnated with resin.
Les fibres de verre sont de préférence du type E, qui est le plus économique.The glass fibers are preferably of type E, which is the most economical.
La résine enduisant les fibres de verre est choisie parmi celles du type polyester, époxy, ou polyuréthane.The resin coating the glass fibers is chosen from those of the polyester, epoxy or polyurethane type.
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.The fibers are wound at an angle between 45 ° and 60 °, and preferably 55 °, relative to the axis of rotation.
En variante, la couche de fibres présente une épaisseur différente selon la zone recouverte de la masse (du corps) en béton.As a variant, the layer of fibers has a different thickness depending on the area covered by the mass (of the body) of concrete.
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.The steering wheel also has an upper flange and a lower flange integral with the axis and located on either side of the body.
L’invention est également relative à un procédé de fabrication d’un volant d’inertie, dans lequel :The invention also relates to a method for manufacturing a flywheel, in which:
1. 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 ;1. 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 steering wheel;
2. 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) ;2. once the concrete has solidified, a sealed envelope or winding is made of glass fibers on the concrete mass, without tension (or very low tension);
3. 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.3. a liquid / viscous material 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 envelope seals a tension and on said mass a stress pressure.
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.The tension in the waterproof casing affects the solidified mortar, and therefore the concrete body, which is then prestressed.
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.As a variant, a series of prefabricated concrete blocks is produced by molding, each provided with a central bore for the passage of the central axis, then the said blocks are threaded onto the latter, preferably with a slight clearance, then one realizes said envelope of glass fibers (without tension) and mortar of a viscosity is injected making it possible to inject between the exterior surface of the blocks and the interior surface of the envelope of glass fibers, to create the intermediate layer.
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.In the following description, the term "exterior" relating to the body of the steering wheel is understood to qualify the parts facing the exterior environment of the steering wheel, in the context of a normal installation of the steering wheel.
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 :The present invention is now described with the aid of examples which are only illustrative and in no way limit the scope of the invention, and from the attached illustrations, in which:
- La figure 1 illustre une vue en coupe axiale d’une moitié du volant selon l’invention ;- Figure 1 illustrates an axial sectional view of one half of the steering wheel according to the invention;
- Les figures 2A à 2 E sont des schémas des étapes successives de réalisation du volant ;- Figures 2A to 2 E are diagrams of the successive stages of production of the steering wheel;
- La figure 3 est une vue en coupe axiale d’une moitié d’une variante de réalisation du volant de la figure 1 ;- Figure 3 is an axial sectional view of one half of an alternative embodiment of the steering wheel of Figure 1;
- La figure 4 est une vue en coupe axiale d’une autre variante de réalisation du volant de la figure 1.- Figure 4 is an axial sectional view of another alternative embodiment of the steering wheel of 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- Figure 5 is a partial diagram in section in a diametral plane showing a detail of the part opposite two blocks of the figure
4.4.
En référence à la figure 1, le volant 1 comprend :With reference to FIG. 1, the steering wheel 1 comprises:
- un axe 2 vertical, en un matériau rigide, par exemple en acier,a vertical axis 2, made of a rigid material, for example steel,
- une masse 3 en béton,- a mass 3 of concrete,
- une couche intermédiaire 4 en mortier (comme expliqué ultérieurement) ; et- an intermediate layer 4 in mortar (as explained later); and
- un enroulement 5 en fibre de verre imprégnée de résine.- a winding 5 made of fiberglass impregnated with resin.
La masse 3 en béton est fixée centrée autour de l’axe 2 vertical.The concrete mass 3 is fixed centered around the vertical axis 2.
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.The flywheel 1, and in particular the axis 2, is associated in a known manner, with a known electric motor / generator and not shown, so that initially the latter can rotate the axis 2 (and therefore the mass 3), then in a second step, once the maximum speed has been reached, the flywheel can drive the motor / generator which will then generate electricity.
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.Similarly, the axis 2 is associated in known manner with respectively upper and lower bearings, known in themselves and not shown, allowing the secure maintenance of the steering wheel and its rotation, relative to a fixed frame not shown.
La forme générale du volant est telle qu’il présente trois parties, vu selon 5 l’axe longitudinal X-X, à savoir une partie supérieure sensiblement hémisphérique 1A, une partie centrale ou médiane (par exemple sur environ la moitié de sa hauteur) cylindrique 1B et une partie inférieure 1C sensiblement hémisphérique, symétrique à la partie supérieure 1A.The general shape of the steering wheel is such that it has three parts, seen along the longitudinal axis XX, namely a substantially hemispherical upper part 1A, a central or middle part (for example over approximately half of its height) cylindrical 1B and a lower part 1C substantially hemispherical, symmetrical to the upper part 1A.
îo La surface extérieure des parties supérieure 1A et inférieure 1C est bombée, de forme elliptique ou sphérique.The external surface of the upper 1A and lower 1C parts is curved, of elliptical or spherical shape.
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.At each end of the flywheel 1, plumb with the vertical axis 2, the fibers are wound on a respectively upper 6 and lower 7 flange.
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.The two flanges 6 and 7 are centered on the axis 2 and can slide along the latter. They comprise an outer part respectively 6A and 7A massive radial, a central part respectively 6B, 7B of smaller diameter intended to receive the winding 5, and an inner part in radial projection respectively 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).The internal parts 6C and 7C serve to anchor the flanges 6 and 7 in the winding 5. The external parts 6A and 7A are used to balance the flywheel (as explained below with reference to FIG. 2E).
Le flasque supérieur 6 est associé à un palier magnétique de sustentation (connu et non représenté).The upper flange 6 is associated with a magnetic lift bearing (known and not shown).
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.The lower flange 7 comprises a conduit 8, of axial direction, allowing the injection of the mortar intended to form the intermediate layer 4, as explained later.
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.At each end of the axis 2, an O-ring 9A, 9B seals between the axis 2 and the flanges 6 and 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 îo parties en creux. Ces éléments 10A, 10B sont destinés à faciliter l’ancrage du béton constitutif de la masse 3 sur l’axe 2.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 hollow parts. These elements 10A, 10B are intended to facilitate the anchoring of the concrete constituting the mass 3 on the axis 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.The concrete is preferably a high performance fiber concrete with a compressive strength greater than 80 MPa. The higher its resistance, the greater its capacity to store energy.
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.The fibers give the concrete body a plastic behavior in traction, for safety purposes. Indeed, in the event of an incident (crack for example), the concrete body deforms before falling apart. This deformation can be detected (due to the resulting vibrations) and will make it possible to stop the steering wheel before breaking.
Le mortier est un mélange de ciment, d’eau et de sable, sans gravier. II doit être très fluide pour pouvoir être pompé et injecté sous pression : on l’appelle parfois un « coulis >>.The mortar is a mixture of cement, water and sand, without gravel. It must be very fluid to be able to be pumped and injected under pressure: it is sometimes called a "grout".
Les figures 2A à 2E montre le volant 1 à différentes étapes du procédé de fabrication.FIGS. 2A to 2E show the flywheel 1 at different stages of the manufacturing process.
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 2A: There is a mold 30 of known type, of which only half is shown in Figure 2A, intended to conform the body 3 of concrete. The steel axis 2 is introduced into the mold 30, and protrudes at the two ends of the latter. The mold 30 is then filled with concrete.
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 2B: Once the concrete is set or solidified, and has reached sufficient strength, the mold 30 is opened. There is thus mass / body 3 in which the axis 2 is trapped protruding at each end.
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 flasquesFigure 2C: The flanges 6 and 7 are threaded onto the axis 2, which protrudes from the latter. The flanges 6 and 7 are blocked in translation against the body 3. Then, the resin-impregnated glass fiber 5 is wound on the mass 3 of concrete and on the central part 6B, 7B (FIG. 1) of each of the flanges
6, 7, avec une tension très faible ou nulle.6, 7, with very low or zero voltage.
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 ίοFigure 2D: Once the crosslinking of the resin is done, mortar is injected with a high pressure pump P through the conduit 8 provided in the lower flange 7. The conduit 8 opens out at its distal end (the furthest from the concrete body 3) outwards and through its proximal end (closest to the body 3) in the space between the body 3 and the winding 5. This allows the grout mortar (relatively fluid) to be introduced into the space between the body 3 of rigid concrete and the layer 5 of glass fibers wound without tension. This space is initially very limited or almost nonexistent. The mortar under pressure exerts pressure on the glass fiber winding, thereby creating the intermediate layer 4, between the mass 3 of concrete and the winding 5 of glass fiber. This has two effects, on the one hand to put the mass 3 in compression preload, and on the other hand to put in tension the winding 5. The injection pressure of the mortar is measured / controlled by a manometer ίο
M. Pendant l’injection, les deux flasques 6 et 7 sont libres en translation afin qu’ils puissent s’écarter du corps 3. Cela entraîne que la force axiale due à la pression est reprise par l’enroulement 5, et non par l’axe 2.M. During the injection, the two flanges 6 and 7 are free in translation so that they can move away from the body 3. This means that the axial force due to the pressure is taken up by the winding 5, and not by axis 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.The grout mortar injection is carried out at a pressure such that the concrete of the body is prestressed to the desired pressure, ie at least 40 MPa. It is necessary to inject at a pressure slightly higher than that desired to take account of the phenomenon of shrinkage of the concrete.
îo On comprend que l’enroulement (ou couche) 5 de fibres a deux fonctions :îo We understand that the winding (or layer) 5 of fibers has two functions:
- constituer une couche étanche permettant l’injection du mortier fluide dans l’espace entre le corps en béton et la couche de fibres ;- constitute a waterproof layer allowing the injection of the fluid mortar into the space between the concrete body and the layer of fibers;
- 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.- exert a prestressing pressure on the mortar and therefore on the concrete of the body 3, by tensioning the fibers (the fibers being initially without tension or with an almost zero tension) resulting from the injection of mortar into the said space , with variable volume between the concrete body and the layer 5 of glass fibers.
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.Figure 2 E: After sufficient time for setting or solidifying the mortar, the flywheel 1 is balanced by removing material from the flanges 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.The filament or fiber winding is similar to that of a pressurized gas tank. On the cylindrical part, the fibers are wound in a helix at an angle close to 55 °, an optimal angle to withstand both the internal pressure and the axial force.
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.The method of the invention has the advantage, compared to known methods of winding under high tension (shrinking) of the fibers, to allow better control of the stressing, since it calls for 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.
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.FIG. 3 shows an alternative embodiment of the steering wheel of FIG. 1, where the thickness of the winding 5 of glass fibers is different depending on the area covered by the body 3.
îo 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 1B du volant qui crée ainsi une surépaisseur.îo According to this variant, a first winding 51 covers the entire flywheel with a constant thickness of fibers, then a second winding 52 is produced which covers only the middle cylindrical part 1B of the flywheel, which thus creates an additional thickness.
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.With hemispherical bottoms, the thickness of the winding on the bottoms can be twice as thin as that of the cylindrical part.
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.It is also possible to increase the thickness of the layer of glass fibers around the flanges 6 and 7 (FIG. 3), by additional winding.
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.FIG. 4 shows, in an axial section, another variant of the steering wheel of FIG. 1, where the body is not a single piece but formed from a series of prefabricated concrete blocks 31 to 35 aligned on the axis 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.First, several substantially hemispherical blocks 31/35 and several cylindrical blocks 32/33/34 are manufactured, each provided with a central bore for the passage of axis 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.With reference to FIG. 5, to compensate for the inevitable surface inequalities of the upper / lower transverse planes of the blocks, a recess 32A, 33A (by reservation during the molding of the blocks) is provided in the upper and lower parts, centered on the axis 2. The recesses have an outside diameter substantially smaller than the outside diameter of the blocks.
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.An annular spacer 36, made of metal (steel for example) is disposed centered on the axis 2. The spacer has an outside diameter very slightly smaller than that of the recesses, and is thus able to be housed in the recesses 32A and 33A in manhole (for the example of blocks 32 and 33), and has a height (axially) such that it leaves between the transverse surfaces of the two opposite blocks a space or clearance 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.This allows both to mold the blocks economically (therefore with a free surface even relatively uneven) and to position them precisely in the axial direction.
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.The blocks are threaded successively on axis 2, so as to form the steering wheel, with therefore a hemispherical block 31 and 35 at each end and several (here three) cylindrical blocks 32 to 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.The fibers are wound up as described above. The fibers being wound at a significant inclination relative to the radial direction, they cannot penetrate into the space forming the play 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 to each other to ultimately form a one-piece flywheel.
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.This other variant (FIG. 4) makes it easier to manufacture and reduce the cost, since two relatively small molds are sufficient to manufacture a range of handwheels of different sizes and shapes. Having the same diameter, the flywheels will therefore have the same maximum speed and will be able to use the same range of motors.
A titre d’exemple, le volant d’inertie de l’invention présente les caractéristiques suivantes :By way of example, the flywheel of the invention has the following characteristics:
- Le béton a une limite élastique à la compression de 100 MPa. îo - Le diamètre du cylindre central 1B est de 1 m.- Concrete has an elastic limit at compression of 100 MPa. îo - The diameter of the central cylinder 1B is 1 m.
- Il présente une longueur (hauteur) de 5 m.- It has a length (height) of 5 m.
- Sa masse est de 8,7 t.- Its mass is 8.7 t.
L’épaisseur de l’enroulement 5 en fibres de verre est de 17 mm.The thickness of the glass fiber coil 5 is 17 mm.
La masse de fibres de verre est de 0,7 t, soit très inférieure à la 15 masse de béton.The mass of glass fibers is 0.7 t, which is much less than the mass of concrete.
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.The glass fibers were wound at an angle of 55 ° relative to the longitudinal axis of the steering wheel, and under a tension which generates a stress of 1500 MPa.
La précontrainte dans le béton (compression) est de 50 MPa.The prestress in concrete (compression) is 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).- The flywheel can turn up to 4200 rpm, speed at which the prestressing in concrete becomes zero. The stored energy is then 120 MJ (evening therefore 33 kWh).
Le procédé de fabrication de l’invention présente l’avantage principal de 25 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.The manufacturing process of the invention has the main advantage of using only well-known conventional technologies: concrete molding, tension-free fiberglass winding, high-pressure mortar injection, balancing.
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