Rendement d'une hélice, d'une turbine

[EspritTordu]

Bonjour,

Pour les éoliennes, c'est-à-dire les écoulements d'air, on ne peut espérer récupérer au mieux, qu'une fraction de l'énergie du vent. En effet, le rendement maximum est déterminé par la formule de Betz qui limite celui-ci à 60% de l'énergie incidente (http://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Betz).

Hors, en lisant ceci sur les turbines à eau, on trouve des rendements bien différents.

Par exemple, pour une turbine Kaplan (c'est la même chose semble-t-il pour les turbines Francis ou Pelton)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_Kaplan

Son rendement varie normalement entre 90% et 95%.

Comment comprendre ces écarts entre les deux systèmes? Comment faut-il interpréter ces deux rendements? La limite de Betz ne s'applique-t-elle pas pour les écoulements hydrauliques?

Merci d'avance.
-----

[f6bes]

Bjr à toi,
C'est juste une intuition, mais dans un cas le fluide n'est PAS canalisé et dans l'autre il
l'est.
A voir par les "spécialistes".
Bonne journée

[invitea2955c80]

Bjr à toi,
C'est juste une intuition, mais dans un cas le fluide n'est PAS canalisé et dans l'autre il
l'est.

Bien que non carénée, une hélice d'avion atteint facilement un rendement de 0.80...

[Zozo_MP]

Bonjour

La première raison est que l'air est compressible alors que l'eau ne l'est pas.

Une éolienne capte l'énergie en freinant le vent et en provoquant des zones de compression et d'autre de turbulence.(c'est en subtance ce qu'édicte Mr Betz)
Dans le cas d'une hydraulienne, il en va tout autrement puisque la masse d'eau étant incompressible, il ne peut y avoir de grande différence de vitesse entre les parties en compression sur les pales et les écoulements non productif directement d'énergie, d'où les rendements que tu cites.

Voilà !

A noter que les turbines Pelton sont dans une toute autre logique non comparable aux turbines de type Kaplan ou autres.

Par contre une éolienne et une hydraulienne permettent des comparaisons interessantes.


Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[EspritTordu]

Je comprends mieux la différence.

Pourquoi ne pas considérer les Pelton dans la foulée? Parce qu'elle utilise plutôt la vitesse du fluide au lieu de la pression?

[harmoniciste]

La première raison est que l'air est compressible alors que l'eau ne l'est pas.

Bonjour,
La raison n'est pas dans la compressibilité de l'air, que l'on pêut considérer comme négligeable compte tenu des très faibles surpressions générées. La limite de Betz est simplement due au fait qu'il faut bien que l'air de la veine traversant le rotor conserve un minimum de vitesse (énergie cinétique) pour y maintenir un débit suffisant. Quand la chute de vitesse dans la veine traversant le rotor diminue au delà d'une certaine valeur, le débit de cette veine diminue encore plus vite, et la puissance passe donc par un maximum.

[chatelot16]

pour une turbine hydraulique l'eau est obligé de passer dans la turbine : le rendement maximum d'une turbine hydraulique est bien de 100% : la turbine peleton en aproche beaucoup : les turbine a grand debit et faible pression ont des rendement moins bon parce que l'on ne veut pas les faire enormes : des considerations economiques poussent a se limiter a des rendement moyen ...

la limite de betz c'est autre chose : le vent n'est pas obligé de traverser l'eolienne , il peut passer a coté : si l'eolienne ne freine pas le vent elle ne recois rien , si elle freine trop le vent elle ne recoit pas grand chose non plus car tout le vent passe autour : l'optimum c'est quand elle freine le vent juste assez pour recuperer de l'energie mais pas trop pour ne pas que tout le vent passe a coté

[EspritTordu]

Donc pour l'eau c'est la même chose que pour l'air. La limite de Betz traduit simplement l'évolution de la puissance d'une hélice non carénée (et avec une surface de section de veine couverte par les pales réduites) dans un fluide en mouvement ? Ce qui entend donc des meilleurs résultats de rendement pour les turbines à air (des hélices carénées; il y a avait une étude à ce sujet pour améliorer le rendement des éoliennes, même si une turbine sur un mât de 100 m est moins esthétique q'une hélice)
Mais il vrai que pour l'eau, c'est plus courant de la trouver dans un tuyau au diamètre de l'hélice. Mais à propement parler si l'hélice est plus petite que le diamètre du tuyau, on se retrouve dans le cas de l'éolienne ou de l'hydrolienne (certains types non carénées), n'est-ce pas?

Pourquoi dit-on pour les éoliennes, que trois pales éfilées évitent les interférences? En augmentant le nombre de pâles jusqu'a couvrir la surface de la section de la veine, on arrive à augmenter le rendement, non? Même si cela doit être bien plus significatif avec un carénage?

[EspritTordu]

100%?
Dans une turbine hydraulique, ne doit on pas sacrifier un peu d'énergie cependant à expulser l'eau en sortie aussi sinon tout le système se bloque?

[chatelot16]

avec de l'eau c'est simple : puissance = pression x debit ( en unité du meme systeme ) : l'eau est obligé de passer par le tuyaux : pour approcher du 100% il faut un tuyaux assez gros ...

avec le vent que ce soit une helice a 1 2 ou 3 pales , ou une turbine carréné , le vent n'est pas obligé de passer dedans , il peut passer a coté

dans l'eolienne la puissance est aussi pression x debit , mais le debit n'est pas constant : si la pression est nulle de dit est maximum , si on freine le vent il y a plus de pression mais moins de debit : betz a calculé l'optimum

une helice a 2 pale de 10 metre de diametre et un entonoir aerodynamiquement bien etudié de 10 metre de diametre total avec une turbine au centre auront la meme puissance maximum theorique : mais a mon avis l'entonoir et la turbine sera plus cher que l'eolienne classique

il faut aussi tordre le coup a l'idée que l'eolienne classique perd du vent entre chaque pale : non : l'eolienne tourne plus vite que le vent elle prend bien toute la puissance du vent qui passe dans le disque parcouru par ses pales : si on augmente le nombre de pale , il faut diminuer la vitesse de rotation : on obtient l'eolienne pour pomper de l'eau tout le disque est remplis de pales a 45° d'incidence : ca fait moins de vitesse et plus de couple : ca ne vaut rien pour un alternateur : c'est pas mal pour une pompe a eau a piston

[EspritTordu]

Une chose me chiffonne, quelle est la vitesse à la sortie d'une turbine à eau? Car si l'eau n'est expulsée suffisamment vite, elle fait bouchon, frein à la turbine?

[EspritTordu]

dans l'eolienne la puissance est aussi pression x debit , mais le debit n'est pas constant : si la pression est nulle de dit est maximum , si on freine le vent il y a plus de pression mais moins de debit : betz a calculé l'optimum

Donc cela revient à un problème de compression du gaz?

[EspritTordu]

avec de l'eau c'est simple : puissance = pression x debit ( en unité du meme systeme ) : l'eau est obligé de passer par le tuyaux : pour approcher du 100% il faut un tuyaux assez gros ...

Je ne comprends pas bien le rapport entre le diamètre du tuyau et le rendement d'une turbine à eau?

[_Goel_]

il faut aussi tordre le coup a l'idée que l'eolienne classique perd du vent entre chaque pale : non : l'eolienne tourne plus vite que le vent elle prend bien toute la puissance du vent qui passe dans le disque parcouru par ses pales : si on augmente le nombre de pale , il faut diminuer la vitesse de rotation : on obtient l'eolienne pour pomper de l'eau tout le disque est remplis de pales a 45° d'incidence : ca fait moins de vitesse et plus de couple : ca ne vaut rien pour un alternateur : c'est pas mal pour une pompe a eau a piston

Cependant, pour des raisons de sécurité, les éoliennes sont limités à une vitesse de rotation maximale. Ajouter des pales, augmenter le couple, et diminuer la vitesse de rotation des éolienne ne présente pas d'intérêt (sinon on le ferait !), la question est : pourquoi ?

[calculair]

Bonjour,

Merci à Chatelot 16 d'expliquer pourquoi, le vent qui passe entre les pales de l'eolienne transmet son energie à l'eolienne ?

L'interaction entre l'air et l'eolienne se fait bien au niveau de la surface des pales. L'espace vide entre les pales ne participe pas à mon avis à se couplage.

As tu une explication à ce que tu avances, peux tu demontrer que j'ai tord ?

[invitea2955c80]

...il faut aussi tordre le coup a l'idée que l'eolienne classique perd du vent entre chaque pale : non : l'eolienne tourne plus vite que le vent elle prend bien toute la puissance du vent qui passe dans le disque parcouru par ses pales : si on augmente le nombre de pale , il faut diminuer la vitesse de rotation ...

Bonsoir,

Ce qu'il faut c'est que les pales fassent en sorte que la vitesse aval soit le tiers de la vitesse amont, c'est à cette condition que la récupération d'énergie est maximale.

Pour provoquer ce freinage , la surface des pales devra être d'autant plus élevée que leur vitesse est faible.

C'est en raison de ce freinage (nécessaire ) qu'il n'est théoriquement pas possible de récupérer plus de 59 % de la puissance contenue dans la masse d'air qui traverserait (sans être perturbée ) une surface équivalente à celle du rotor.

C'est ce disait Betz....

[chatelot16]

il ne faut pas considerer une goutte d'air qui passe entre les pales , mais une colonne d'air qui se fait couper en rondelle par le passage des pales

aucunne colone d'air ne peu passer a travers le disque decrit par les pale sans se faire couper en rondelle

une eolienne a 2 ou 3 pale a un pas assez faible : avec 10metre de diametre le pas sera de moins d'un metre : une colonne d'air qui semble passer entre les pale a deja poussé une pale un metre plus tot ou en poussera une autre un metre plus loin

mais quand le vent est trop fort on peut augmenter le pas , et la ce raisonement ne marche plus : une colonne de vent qui passe entre les pale a rencontré ou rencontrera une autre pale trop loin de la : en augmentant le pas on diminue l'efficacite , donc on evite les effort exessif

[chatelot16]

Je ne comprends pas bien le rapport entre le diamètre du tuyau et le rendement d'une turbine à eau?

c'est simple : la contre pression de la turbine doit etre entierement due a son principe utile ( centrifuge ou helice ) la contre pression due a la perte de charge dans un tuyaux trop petit est une perte d'energie

donc pour approcher du 100% une turbine et ses tuyaux doit etre assez grosse pour rendre les pertes de charges negligable

la vitesse a l'entré et a la sortie doit etre tres faible : l'entré et la sortie doit se faire par un convergent et un divergant

mais il faut choisir entre prix de revient et rendement : une sortie de turbine avec un divergent tres large pour sortir a tres basse vitesse sera trop encombrant et trop cher : avec un divergent moins large la vitesse de sortie est plus forte donc c'est une perte d'energie , mais il faut acepter cette perte pour rester a un prix raisonable

mais avec l'augmentation du prix de l'energie il deviendra certainement utile un jour de reconstruire certaine centrale hydraulique pour ameliorer les rendement

[harmoniciste]

. Ajouter des pales, augmenter le couple, et diminuer la vitesse de rotation des éolienne ne présente pas d'intérêt, la question est : pourquoi ?

Bonjour
On veut entrainer un alternateur qui tourne bien plus vite que les pales. Plus les pales tourneront vite, moins il faudra d'étage au multiplicateur de vitesse. Mais on est quand même limité par la résistance structurales des pales (pour tourner vite il faut des pales étroites et fines. Au delà d'une certaine limite elle manqueraient de rigidité. De ce point de vue une éolienne bipale, voire monopale, serait plus intéressantes si cela ne posait quelques difficultés d'équilibrage.

[chatelot16]

Ce qu'il faut c'est que les pales fassent en sorte que la vitesse aval soit le tiers de la vitesse amont, c'est à cette condition que la récupération d'énergie est maximale.

l'air n'etant pas compressible aux faible pression que l'on a autour d'une eolienne le debit donc la vitesse doit bien etre identique a l'entre et a la sortie

je vois les chose autrement : l'air peut contourner l'eolienne : la vitesse dans l'eolienne est 2/3 de la vitesse du vent loin en amont de l'eolienne

[invitea2955c80]

l'air n'etant pas compressible aux faible pression que l'on a autour d'une eolienne le debit donc la vitesse doit bien etre identique a l'entre et a la sortie

Le débit est évidement constant, mais l'éolienne n'étant pas contenue dans un tuyau, les sections amont et aval ne sont identiques.
( voir théories de Froude Rankine et de Betz...)

je vois les chose autrement : l'air peut contourner l'eolienne : la vitesse dans l'eolienne est 2/3 de la vitesse du vent loin en amont de l'eolienne

V en amont, V/3 en aval et 2 V/3 dans le plan de l'hélice .

[Zozo_MP]

[HS On]

Bonjour Robur71

Ben ! t'étais où ! tu nous a manqué pendant tout ce temps, à là là

Cordialement

[HS /Off]

[EspritTordu]

Le débit est évidement constant, mais l'éolienne n'étant pas contenue dans un tuyau, les sections amont et aval ne sont identiques

Ce qui est vrai aussi pour les hydroliennes non carénées donc aussi soumises à la loi de Betz?

c'est simple : la contre pression de la turbine doit etre entierement due a son principe utile ( centrifuge ou helice ) la contre pression due a la perte de charge dans un tuyaux trop petit est une perte d'energie

donc pour approcher du 100% une turbine et ses tuyaux doit etre assez grosse pour rendre les pertes de charges negligable

la vitesse a l'entré et a la sortie doit etre tres faible : l'entré et la sortie doit se faire par un convergent et un divergant

Vous voulez dire que pour des turbines à réaction comme Francis ou Kaplan, le liquide doit être lent, et la pression forte, mais cette dernière, plus elle forte, plus elle induit des frottements sur les parois, donc des pertes de charges?

Le rendement à 100% théorique m'intrigue : en effet, pour évacuer l'eau, il faut de l'énergie, où la puisse-t-on? dans la source, c'est-à-dire une portion de l'énergie cinétique du fluide (réduisant le rendement alors)? Ou bien, dans la gravité qui apporte le complément (cela signifie alors qu'en son absence, le rendement maximal de 100% est impossible alors)?Ailleurs?

[Zozo_MP]

Bonjour

dans la gravité qui apporte le complément (cela signifie alors qu'en son absence, le rendement maximal de 100% est impossible alors

Pour tout ce qui est turbine, sans la gravité il n'y aurais pas de rendement du tout.

Essayer de faire marcher une turbine dans un station orbitale!

Cordialement

[canarosse]

Pourquoi le rendement d'une hélice d'avion est-il meilleur que le rendement d'une éolienne? Et bien, parce que ce n'est pas du tout la même chose. Ce n'est pas le mécanisme qui diffère, mais la définition du rendement. Le rendement est au départ une considération économique, le rapport entre ce que l'on dépense et ce que l'on récupère. Pour un avion, c'est le rapport entre la puissance fournie à l'arbre (le produit vitesse angulaire X couple) et la puissance reçue par l'avion (le produit force de traction X vitesse dans l'air). Pour une éolienne, c'est tout autre chose : c'est la puissance recueillie par l'arbre "comparée" à la puissance du vent qui passerait à la place de l'hélice si elle n'était pas là. C'est la seule possible, car il n'y a pas de dépense pour faire circuler l'air, il n'y en a que pour construire l'appareil.
Pourquoi le rendement d'une turbine est-il meilleur que le rendement d'une éolienne ? Là encore, la définition n'est pas la même, parce que l'on a affaire à une ressource limitée, et le rendement est (c'est logique) le rapport ressource utilisée sur ressource disponible. Mais si l'on s'interresse à une hélice ou à une roue libre dans un courant libre, le "rendement" n'est plus aussi bon (il s'agit alors d'un rendement comparable à celui de l'éolienne), les installations qui ont existé au dix neuvième siècle (roue à aubes sur des installations flottantes amarées) produisaient bien peu d'énergie, mais sans barrage ni lourdes installations, donc pour un coût minimum.

Bonjour
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