calcul des efforts mecaniques appliques a une eolienne

[invite716b3744]

Bonjour, je souhaite etablir le bilan des efforts s appliquant a une eolienne.
Quelqu un peut il m aider????
J ai commence par un etude statique; le vent souffle sur un disque fixe, j ai la relation: P+Fv+R=0. Meme chose pour les moments...
Voir schema en piece jointe
Est ce que jusque la tout va bien? ou est ce que j ai oublie des forces?
La prochaine etape: toujours en statique je voudrais non pas que ma force F soit une force appliquee au centre du disque mais plutot une force repartie sur toute la surface (comment est ce que je m y prends??)
Toujours pour l etude statique comment est ce que je touve le centre de gravite ou le poids G est applique?

Une fois que j aurai regle ces questions preliminaires, je compte mettre mon disque en mouvement, quelles sont alors les forces appliquees, comment les calcul t on, j imagine au il y a un couple cree par la rotation?????????????

L ultime etape sera de considerer non plus un disque mais 3 pales distinctes, alors de nouvelles forces seront crees j imagine, une portance, comment la calcule t on???


J ai bin conscience de poser beaucoup trop de questions pour un seul post, mais si vous connaissez la reponse a ne serait ce qu une seule de ces questions, ca m aiderait beaucoup
Merci
Quijota
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[inviteca6ab349]

SAlut,

j'ai peu de reponses a t'apporter, mais je me rappelle d'un sujet de concours general qui portait sur l'etude d'une eolienne vers 2001-2002, peut etre cela pourrait-il t'aider a developper tout ca.

Bon courage

[invite716b3744]

Ok merci je vais essayer de trouver des infos, si tu as quelques mots cles a me donner pour une recherche google je suis prenneuse
Merci
Quijota

[invite716b3744]

Oui c est bon j ai trouve le sujet en question mais comme souvent, seulement les aspects aerodynamique des pales et electricite sont traites, il n est pas question des efforts meca auxquels la structure globale est soumise.
Merci pour ton aide
Quijota

[A voir en vidéo sur Futura]

[sitalgo]

Quelqu un peut il m aider????

Non.

Est ce que jusque la tout va bien? ou est ce que j ai oublie des forces?

La force du vent sur le mât.
La force oscillante due au fléchissement des pales en position horizontale qui déplace le cdg de l'hélice verticalement. Tu peux négliger, je ne pense pas que tu vas fabriquer une éolienne de 30m de diamètre.
Le couple résistant de l'alternateur, le couple de frottement de l'hélice sur ses appuis.

La prochaine etape: toujours en statique je voudrais non pas que ma force F soit une force appliquee au centre du disque mais plutot une force repartie sur toute la surface (comment est ce que je m y prends??)

Tu répartis la force sur la surface pour obtenir une pression.

Toujours pour l etude statique comment est ce que je touve le centre de gravite ou le poids G est applique?

On ne peut pas le savoir à l'avance, on ne peut que l'estimer, il est définitif une fois que tout est déterminé.

Une fois que j aurai regle ces questions preliminaires, je compte mettre mon disque en mouvement,

L ultime etape sera de considerer non plus un disque mais 3 pales distinctes, alors de nouvelles forces seront crees j imagine, une portance, comment la calcule t on???

Je ne vois pas l'intérêt de commencer par un disque.
Pour la force de portance, soit tu prends la valeur donnée pour l'hélice que tu utilises, soit tu la fabriques et tu fais un essai.

[invite716b3744]

Ok utiliser un disque c etait pas une bonne idee, j ai eu envi de faire ca parceque pour le calcul de la puissance meca c est la surface balayee par les pales et non la surface exposee qui compte????
Si je te suis, j appelle S la surface exposee au vent d une pale.
La surface que je prends en compte pour le calcul de la force Fv (force du vent) repartie c est donc 3*S????

Ensuite biensur j avais completement oublie le calcul de Fv repartie sur le mat....

Jusque la je pense m en sortir...
Maintenant apres avoir un peu mieux reflechi, il me semble que j ai oublie la trainee, en aval de l elice, qui s applique sur la partie superieure du mat, sais tu comment la caluler, est ce qu on peut dire que c est 3*T (eolienne tripale) avec T la trainee derriere une pale, T=1/2 C ro S v2 (C:coef de trainee de la pale) ou est ce que pour le calcul de la trainee on considere que S est la surface balayee (S=pi * r2)?????

Ensuite la portance on est d accord, ca ne s applique que sur les pales????

Enfin dernier question, tu peux m expliquer un peu plus ce que sont les differnts couples dont tu me parles dans ton post precedant??

Merci pour tes reponses
Quijota

[invite2c9a6487]

Concernant les efforts aérodynamiques sur ton éolienne, il y a un couplage entre les pales et le mat (quand la pale passe devant le mat, l'écoulement est perturbé, les efforts varient), ce qui crée des variations de contraintes (en plus de ceux générés par les variations des efforts centrifuges) dans les pales et qui peuvent conduire à de rupture en fatigue.
Je ne sais malheuresement pas s'il existe des formules empiriques pour estimer ce couplage, pour faire les calcul sur un coin de nappe ou s'il faut nécessairement passer par un calcul EF (avec Fluent par ex).

[sitalgo]

Ok utiliser un disque c etait pas une bonne idee, j ai eu envi de faire ca parceque pour le calcul de la puissance meca c est la surface balayee par les pales et non la surface exposee qui compte????
Si je te suis, j appelle S la surface exposee au vent d une pale.
La surface que je prends en compte pour le calcul de la force Fv (force du vent) repartie c est donc 3*S????

Certes, une hélice a une efficacité globale sur sa surface de balayage, pour une vitesse donnée on obtient un couple moteur et une trainée. Comme je ne connais pas les détails de calcul, je ne vais pas dire n'importe quoi, je laisse des plus compétents pour ça et tu peux chercher sur la toile.

Maintenant apres avoir un peu mieux reflechi, il me semble que j ai oublie la trainee, en aval de l elice, qui s applique sur la partie superieure du mat, sais tu comment la caluler, est ce qu on peut dire que c est 3*T (eolienne tripale) avec T la trainee derriere une pale, T=1/2 C ro S v2 (C:coef de trainee de la pale) ou est ce que pour le calcul de la trainee on considere que S est la surface balayee (S=pi * r2)?????

T n'est pas une force localisée, c'est la résultante des pressions et frottements le long du profil. Le fût passe périodiquement de plein vent (donc T=1/2rho S Cx V²) à derrière les pales, une zone plus ou moins perturbée. Calculer cela m'a l'air complexe.

Enfin dernier question, tu peux m expliquer un peu plus ce que sont les differnts couples dont tu me parles dans ton post precedant??

Pour les couples on a la résistance de frottements, l'axe de l'hélice est supportée par deux roulements (ou autre système), les roulements ne sont pas parfaits.
L'helice transforme la vitesse du vent en couple pour un générateur. Si on utilise la puissance de ce générateur, il va freiner l'hélice en opposant un couple proportionnel à la puissance demandée. Ce couple (le rotor est freiné par le stator qui est fixé dans la tête) est à reprendre par le fût.

[invite716b3744]

Merci pour vos reponses,
Je suis tout a fait d accord avec chris11, je ne vais pas pouvoir me passer longtemps de Fluent et Abaqus si je veux modeliser tout ce qui se passe au niveau de mon eolienne.
Bon ce qui m interessait surtout pour ce calcul de coin de table c etait d etablir un bilan de forces, pour repondre a la question suivante:

"Je souhaite monter mon eolienne sur le toit d un vehicule (un rover d exploration de mars en fait), Ce rover a besoin d une faible puissance pour fonctionner (5-50 W), il n est pas prevu qu il fasse plus de 10 m a l heure, Quelle est la taille maximale d eolienne (dimension des pales et du mat) que je peux me permettre de monter sur mon rover de sorte que l eolienne ne fasse pas (meme par vent fort) basculer le rover, sachant que le rover a une surface au sol de seulement 3m2??"
?????????????????????

Voici le problerme completement pose,
Dans une premiere approche (calcul de coin de table), quelles sont les hypotheses tres simplificatrices que je peux faire???
Peutetre que je peux ignorer la rotation de l elice, ne pas tenir compte de la trainee....
Qu en pensez vous???

Merci encore pour vos reponses
Quijota

[sitalgo]

Dans une premiere approche (calcul de coin de table), quelles sont les hypotheses tres simplificatrices que je peux faire???
Peutetre que je peux ignorer la rotation de l elice, ne pas tenir compte de la trainee....

Il faut surtout pas ignorer la traînée, c'est important pour le risque de basculement.

Si tu veux aller dans le sens de la sécurité, tu considères l'hélice arrêtée car elle a alors une trainée maximum. Tu prends un Cx de 1 pour la surface au vent de l'ensemble.

Tu peux aussi trouver quelque part le coef de traînée d'une hélice et celui d'un cylindre (0,5 pour une sphère, ça ne devrait pas être loin de 0,6 ou 0,7).

L'engin lui-même est soumis au vent, il faut aussi connaître son couple de basculement qui vient s'ajouter à celui de l'éolienne.

[invite716b3744]

Si tu veux aller dans le sens de la sécurité, tu considères l'hélice arrêtée car elle a alors une trainée maximum. .

Donc la surface S qui intervient dans le calcul de la trainee, c est la surface de l elice, c est a dire si mon eolienne est tripale: 3 * R * l (R: rayon de pale, largeur de pale, si on considere des pales non profilees - de simples planches rectangulaires).
Au final c est une tres petite surface qui est prise en compte.
Si on considere l elice en rotation alors la surface soumise a la trainee est le disque pi*R2, et la c est une surface beaucoup plus grande qui entre en jeu
????????????

Merci
Quijota

[sitalgo]

Là c'est à toi de voir, si tu veux estimer par le calcul, il est plus simple de considérer chaque pale et le noyau mais il faut avoir une expérience en la matière. Dans l'industrie on peut faire les calculs les plus fins, c'est l'essai en soufflerie qui prime.

On peut très bien considérer la surface circulaire de l'hélice, le Cx sera plus faible mais en toute logique le résultat doit être le même. Je pense qu'il est plus facile d'obtenir les caractériques d'une hélice que celles d'une pale parce que les fabricants vendent un produit fini. Et là tu n'as pas de doute sur la valeur obtenue.

[invite716b3744]

La je m interesse a l aspect securite, La question c est: "y a til un risque de basculement du rover par vent fort''.
Donc je majore tout ce qui se rapporte a la trainee: c est pourquoi je choisis un cx de 1, je souhaite egalemet choisir S (surface sur laquelle s applique la trainee) la plus grande possible.
C est pourquoi ma question etait: est il dans le cadre d un calcul de coin de table comme celui ci, aberant de considerer S=pi r2 (r: rayon des pales)???
Je n ai pour l instant aucune idee du type d elice que je souhaite utiliser, je veux simplement montrer qu un rover qui fonctionne a l eolien pour aller explorer Mars c est possible... Donc les essais en soufflerie, les logiciels de simulation c est pas pour tout de suite....
Merci pour tes reponses
Quijota

[sitalgo]

Alors prends la surface des pales + celle du fût avec un Cx de 1.
Prendre la surface du cercle ne correspond pas à la réalité.

[invite716b3744]

Alors prends la surface des pales + celle du fût avec un Cx de 1.
Prendre la surface du cercle ne correspond pas à la réalité.

Le fut c est quoi? c est le moyeu (la partie centrale de l elice)??

Un cx de 1, est ce que je peux voir ca comme le cx d une plaque (pas profilee) placee perpendiculairement au vent. Je veux dire est ce que ca correpond a une forme absolument pas aerodynamique???
Merci
Quijota

[sitalgo]

Le fût est le mât, le poteau qui supporte l'hélice et le générateur.

" Un cx de 1, est ce que je peux voir ca comme le cx d une plaque (pas profilee) placee perpendiculairement au vent. Je veux dire est ce que ca correpond a une forme absolument pas aerodynamique???"

C'est cela. C'est un calcul au pire.

[invite716b3744]

ok merci, j aibien compris

Une autre question, un peu en marge de la discussion, je suis entrain de me renseigner sur le nombre de pales optimal. J ai bien compris que pour produire de l electricite sur terre 3 est le nombre phare.
Mais j ai aussi lu que plus on a un ecoulement d air a faible nombre de reunols, plus on a interet a racourcir le rayon des pales et a augmenter le nombre de pales...
Ca a m interesse particulierement pour mon application, parceque sur mars le reynolds est bcp plus faible que sur terre.
Est ce que tu sais d ou vient cette 'loi', par quelle relation le rayon et le nombre de pales est il lie au reynolds??????
Merci pour tes reponses
Quijota

[sitalgo]

On utilise des éoliennes à faible nbre de pales quand on veut une vitesse de rotation élevée (pour l'électricité) et à grand nbre de pales pour des vitesses lentes (pompage d'eau).
Le rendement au m² est meilleur avec faible nbre, les pales génèrent moins de turbulences entre elles et font moins un effet de mur que le vent va essayer de contourner.

Pour le nombre de pales, à mon avis c'est 3 ou 5, mais vu le diamètre de l'éolienne on peut faire 4. Le nombre impair sert à minimiser un effet de précession gyroscopique des pales lorsque l'éolienne change d'orientation.

Pour le nbre de Reynolds, plus il est faible plus vite on aura des turbulences. Je suppose que les profils de pales au calcul affûté y perdent plus en efficacité, donc il vaut mieux faire des pales plus nombreuses et au profil moins rapide. Quant au rayon, je ne vois pas de raison de le diminuer, d'autant que la puissance dépend du carré du rayon.