Comment déterminer le nombre de pales nécessaires à une hydrolienne

[invite4ba99b84]

Bonjour,
je suis étudiant en PC et pour mon tipe, je cherche à connaitre comment on peut déterminer le nombre de pale nécessaires pour une hydrolienne. J'ai trouvé de la documentation telle que la théorie de Froude et celle de la théorie de l'élément de pale, mais seulement je trouve qu'elles ne sont pas assez "frappantes" concernant l'impact du nombre de pales sur la puissance générée par l'hydrolienne.
Je cherche donc des personnes qui puissent m'orienter dans mes recherches en me proposant des pistes à explorer...
Merci par avance...
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[invite874d5702]

Bonjour,

Je pense que 3 pales est utilisé parce que c'est le meilleur rendement :

-Avec 2 pales seulement, lorsque les 2 pales seraient alignés dans la direction du vent, l'éolienne s'immobiliserait => Minimum 3 pales

-Si on augmente le nombre de pales, on augmente pas beaucoup la prise au vent mais beaucoup la masse à déplacer => moins d'énergie produite. => il faut un minimum de pales.

C'est pourquoi 3 pales est la meilleure configuration, je me trompe peut être mais ça parait logique.

[invite4ba99b84]

L'hydrolienne (et pas l'éolienne comme vous le sous-entendez) que j'étudie possède 6 pales.

En augmentant le nombre de pales, on augmente le couple mais on perd en rendement, ce que je trouve en contradiction avec le schéma que j'ai trouvé (voir pièce-jointe). Quelqu'un a-t-il une explication ?

D'autre part, j'ai trouvé la théorie de Froude appliquée à l'élément de pale mais j'ai du mal à comprendre ses conséquences sur les performances de l'hydrolienne :
Théorie de l'élément de pale

[invite16a0720a]

Les aspects aérodynamiques sont secondaires dans la détermination du nombre de pales : ce sont les efforts produits par chaque pale, notamment la force de Coriolis, qui amène à choisir la configuration à 3 pales. Avec 2 pales, les efforts s'additionnent (maxi au moment où les pales sont alignées avec le fût), c'est avec 3 pales qu'ils varient le moins.
Les sollicitations mécaniques dans une éolienne sont énormes, et le coût de la maintenance de l'ensemble dans le temps est déterminant pour la rentabilité de l'éolienne.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite5015c83b]

bonjour!

c'est un sujet intéressant, et je voudrais tout d'abord bien précisé que je ne m'y connais pas spécialement en hydrolienne, donc je n'ai pas la réponse miracle.

néamoins, la piste que tu pourrais explorer c'est la couche limite autour des pales (collée ou décollée?), et la transition à la turbulence.

normalement, si tu déclanches la turbulence dans un écoulement autour d'un cylindre (exemple : une cheminée industrielle), les forces de pressions seront moins importantes.
alors, est-ce qu'on peut tirer bénéfice de ça sur les hydroliennes, je n'en sais rien, et encore moins pour savoir si ça a une influence sur le nombre optimal de pales.

enfin, voilà une piste! bonne chance!

[invite4ba99b84]

Jusqu'à présent tout ce que j'ai trouvé c'est... pas grand chose... Tout les sites sur internet semblent indiquer que le nombre de pales est avant tout histoire de facture. Avec peu de pales le rendement est plus élevé, pour une vitesse plus importante, et plus le nombre devient important, plus on perd en rendement, avec une vitesse plus lente.
D'ailleurs au passage, quelqu'un sait-il pourquoi une hydrolienne avec peu de pales a un meilleur rendement, normalement ne devrait pas-t-on avoir un rendement plus faible, le couple produit étant moins important ? Les gênes occasionnées entre chaque pales sont-elles aussi importantes que ça pour diminuer d'autant le rendement que le nombre de pales est important?

Je vais quand même allez explorer cette piste de zerzer...

[invite4ba99b84]

La piste de la couche limite ne donne pas beaucoup d'indices, cependant il se pourrait que la piste de la cavitation donne des résultats. Quelqu'un peut-il m'expliquer ce que ça impliquerait sur le fluide en termes mathématiques... svp

[invite8bc02028]

Le rendement est le rapport entre l'énergie produite et l'énergie disponible, il faut donc comprendre ce qu'est l'énergie produite. Une hydro ou éo -lienne a des pales qui génèrent un couple. Ce couple multiplié par la vitesse de rotation des pales définit la puissance produite. L'énergie est la puissance fois le temps.
Donc pour un même couple généré, l'éolienne qui tourne plus vite produit plus de puissance.
Pour ce qui est du nb de pales, moins de pales équivaut à moins de couple mais on peut compenser la perte avec une vitesse de rotation supérieure. Cela dépend du profil de la pale.
Bien à vous.

[polo974]

Dans les éoliennes et hydroliennes, on utilise le mot rendement de façon tendancieuse.

Plus il y a de pales (ou de surface de pale pour être plus juste), plus il y a de surface mouillée, donc de traînée qui est une vraie dissipation d'énergie. (rendement = énergie efficace / (énergie efficace + énergie dissipée)

Moins il y a de pales et moins elle va vite, moins l'hélice sera efficace (énergie captée / énergie captable).

Ensuite, c'est un compromis entre complexité et efficacité dans un domaine d'utilisation visé.

[invite4ba99b84]

Dans mes recherches je suis tombé sur la notion d'angle d'attaque et d'angle apparent, quelle est vraiment la différence entre les deux ? Sont-ils nécessaires pour déterminer le rendement de l'hydrolienne ou d'autres caractéristiques ?

[arrial]

Salut,


Le nombre de pales ne se fait pas au hasard : il dépend de la la génératrice et sa boîte qui se trouve derrière.
Et trop d'engrenages nuit à la nage …
Disons que pour une puissance donnée, il faudra plus de pales si la vitesse de rotation est plus faible.

Il faut donc faire un bilan hydraulique en fonction de ton matériel.
Quoi que le contraire reste envisageable …

Sinon, si 1 pale, ça ne le fait pas, tu peux en revanche en mettre 2, 3, 4, etc … sauf que si tu en mets une infinité, l'eau ne passera plus …


@+

[arrial]

Sinon, si 1 pale, ça ne le fait pas, tu peux en revanche en mettre 2, 3, 4, etc … sauf que si tu en mets une infinité, l'eau ne passera plus …

… juste pour rigoler un peu et étoffer ton rapport …

• l'inclinaison de la pale et sa vitesse et leur corrélation sont limitées par le phénomène destructeur de cavitation.

• un trop grand diamètre, et tu verras rappliquer un moustachu qui pollue à la pipe et qui tonitrue.

• 'n'un sens il a raison : de grandes hélices tournant à toute berzingue, et la seule race de thon qui restera sera celle du thon en miettes …


@+

[invite4ba99b84]

Désolé pour ce retard, j'étais pris sur la réalisation pratique de l'hydrolienne. Je pensais créer différents moulins à eau avec différentes pales. Je ferai jouer différents paramètres : nombre de pales et longueur et je mesurerai la force de trainée, la vitesse, l'énergie transmise au moulin et j'essaierai d'avoir un rendement...

[invite4ba99b84]

Bonsoir,
après avoir construit mes moulins à eau, j'ai constaté que plus il y avait de pales plus la roue tournait vite. Seulement ce qui me pose problème c'est que pour une hydrolienne ou même une éolienne moins il y a de pales plus ça tourne vite...
Est-ce que c'est parce que l'eau arrive "par dessus" et non pas dans l'axe de rotation de la roue ?
Comment expliquer ce décalage ?

[arrial]

pour une hydrolienne ou même une éolienne moins il y a de pales plus ça tourne vite...

… sauf erreur : à puissance constante, ce qui n'est pas ta problématique …

@+

[inviteccac9361]

Comment expliquer ce décalage ?

A vue de nez c'est parcequ'il n'y a pas de resistance, turbulence, appellons-le comme on veut de la pale sur l'air. Ou plutot, la pousée de l'eau est tellement grande par rapport au "freinage" des pales dans l'air que ça en devient négligeable.
Si tes pales tournaient dans l'eau, le freinage des pales dans l'eau ne serait plus negligeable.

Astucieux ton systeme de pales en altitude.
Ca me donne une idée. Pourquoi tu n'utiliserait pas une chaine de godets ? sur deux axes. Ces godets se vidant en bas.
L'inverse des pompes ancestrales pour les puits (mues par éolienne parfois).
Le rendement serait peut-être encore meilleur ?
Et tu aurais un sacré couple, proportionnel à la hauteur entre ton arrivée d'eau et son point d'ecoulement.
Un truc à essayer sur une cascade. Il y a pas mal d'energie à capter par là, ça évite de faire un barrage.

[invitee0b658bd]

Bonjour,
la difference fondamentale entre une hydrolienne et un moulin a eau est la facon dont travaillent les pales
dans le cas du moulin les pales travaillent en trainée (comme un parachute) dans le cas de l'hydrlienne c'est en portance (comme une aile d'avion)
le travail en portance est toujours beaucoup plus efficace

tu en a une preuve en contatant la disparition des bateaux a roue a aubes au profit des helices
fred

[inviteccac9361]

tu en a une preuve en contatant la disparition des bateaux a roue a aubes au profit des helices

Je ne suis pas sur que ce soit exact.
Les helices prévues pour l'eau travaillent en portance.
C'est le fait qu'elles tournent tres vite qui fait que la portance l'emporte sur la trainée.
Il le produit exactement les mêmes phenomenes pour une helice dans l'air que dans l'eau. C'est le rapport entre la vitesse de l'objet solide, l'helice, et la vitesse des molecules du fluide (l'agitation) qui determine le type de phénomene emmergent.
C'est exprimé en nombre de Reynolds, un genre de facteur d'echelle.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Reynolds

La portance et la trainée sont toujours presentes quelque-soient les vitesses et les fluides (air et eau). C'est simplement négligeable ou pas. Donnant préponderance à la portance ou à la trainée.

Les turbulences constatées dans l'air se manifestent par exemple par un effet de cavitation dans l'eau. (depression locale expulsant l'air de l'eau)

Quelques données clef ici :
http://www.heliciel.com/aerodynamiqu...hydrofoils.htm

[invitee0b658bd]

bonsoir,

Les helices prévues pour l'eau travaillent en portance.

comme toutes les hélices

C'est le fait qu'elles tournent tres vite qui fait que la portance l'emporte sur la trainée.

cela demande à être demontré et me semble completement faux

Les turbulences constatées dans l'air se manifestent par exemple par un effet de cavitation dans l'eau. (depression locale expulsant l'air de l'eau)

ce n'est pas l'expultion de l'air, c'est simplement la creation d'une bulle de vapeur
on a des turbulences sans cavitation, et on peut avoir de la cavitation sans turbulences, c'est simplement une affaire de pression
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation

La portance et la trainée sont toujours presentes quelque-soient les vitesses et les fluides (air et eau). C'est simplement négligeable ou pas. Donnant préponderance à la portance ou à la trainée.

si la trainée est toujours presente, la portance dans le cas d'une roue a aube n'existe globalement pas et seule la trainée est exploitée avec les rendements que l'on connait.
fred

[inviteccac9361]

comme toutes les hélices

On est d'accord, ce n'est pas sur ce point que nos vues divergent.
Je précisait pour ceux qui se posent cette question.

si la trainée est toujours presente, la portance dans le cas d'une roue a aube n'existe globalement pas et seule la trainée est exploitée avec les rendements que l'on connait.

On est toujours d'accord.

ce n'est pas l'expultion de l'air, c'est simplement la creation d'une bulle de vapeur

Tout à fait.
J'ai confondu Air et Eau avec Gaz et Liquide.
Habitude quand tu nous tient.
Maintenant, en toute rigueur, je te laisse quand même réflechir au devenir de l'oxygene(gaz) contenue dans l'eau(liquide). La solubilité dépend de la pression...
http://fr.wikipedia.org/wiki/Solubilit%C3%A9
C'est un phenomene annexe "negligeable....".
J'imagine quand même que ça doit détruire les elements qui peuvent s'oxyder, à la longue.
L'oxygene pur est tres bon oxydant.
Je ne sais pas si c'est ce qu'on a pu identifier sur les images que l'on voit sur Wikipedia concernant les degats de la cavitation. A demander aux spécialistes.

C'est le fait qu'elles tournent tres vite qui fait que la portance l'emporte sur la trainée

cela demande à être demontré et me semble completement faux

J'ai parlé un peu vite sans demonstration, ça me paraissait évident.
Bigre de moi.
Et tu as raison en ayant tord.
Et j'ai tord en ayant raison.

La finesse represente le rapport Portance/trainée
http://fr.wikipedia.org/wiki/Finesse...%A9rodynamique)
Ce rapport depend de la vitesse.
Au début, à "basse" vitesse la portance croit plus vite avec la vitesse que la trainée.

Passé un seuil à partir duquel les turbulences deviennent préponderantes.

La trainée croit plus vite avec la vitesse que la portance.
On le voit sur le graphique ici :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Polaire_des_vitesses

Donc j'ai raison aux basses vitesses, et tord pour les hautes vitesses.
Et tu as raison aux grandes vitesses et tord aux basses vitesses.

Sinon, pour en revenir aux pales et aux aubes.
Penses-tu que l'helice est plus performante dans l'eau concernant la propulsion d'un navire ?
Je dirais le contraire. C'est plus delicat mais une roue à aube par son principe même, permet de construire des engins beaucoups plus rapides.
Comme tu le dis, la roue a aube fonctionne avec la trainée.
Je dirais plutot, fonctionne avec la pression.
Tu peux donc "courir sur l'eau" à grande vitesse.
Et eviter cette trainée par helice qui croit plus vite que la portance à haute vitesse.

La contrainte est dans solidité de la roue à aube...
Comment ça, ce n'est plus un "bateau ?"

[invite4ba99b84]

Ne pourrais-t-on pas dire que cette différence entre théorie et pratique peut résulter d'une certaine inhomogénéité du milieu. Le fait qu'il n'y ait qu'une pale qui reçoive l'énergie de l'eau et donc le phénomène de rotation n'est entretenu véritablement qu'avec de nombreuses pales.

Cependant la force de portance est à première vue croissante avec le nombre de pales d'après mes pseudo-moulins à eau (en fait j'ai quand même donné un angle de calage (environ 20°))...

[invitee0b658bd]

Bonjour,

Ne pourrais-t-on pas dire que cette différence entre théorie et pratique peut résulter d'une certaine inhomogénéité du milieu. Le fait qu'il n'y ait qu'une pale qui reçoive l'énergie de l'eau et donc le phénomène de rotation n'est entretenu véritablement qu'avec de nombreuses pales.

non , c'est intrinsequement du au principe.
20° , generalement tu es deja en regime decroché ou a la limite, et la portance n'est plus vraiment terrible (plus exactement la finesse = rapport portance /trainée)
fred

[invite4ba99b84]

Excusez-moi mais je me suis mal exprimé en réalité le vrai angle d'attaque que j'ai mis est :90-20 =70°
Comment sait-on dans quel régime on est ? Quelle est la théorie ?

[inviteccac9361]

Bonjour,

Comment sait-on dans quel régime on est ? Quelle est la théorie ?

On peut l'estimer.
Selon des formes déja étudiées.
Des formes simples en general.

Avec une plaque plane située dans le lit de l'écoulement, la dimension caractéristique est la distance d'un point au bord d'attaque. Ce paramètre permet de décrire l'évolution de la couche limite. Si le bord d'attaque présente une arête émoussée, la couche limite est turbulente dès le début. Dans le cas d'un bord effilé, la couche limite est laminaire sur une certaine longueur, puis devient turbulente ensuite. Cette laminarité se maintient jusqu'à une distance qui correspond au Reynolds critique de l'ordre de 5.105 marquant la transition du type d'écoulement, la zone située au-delà développant une couche limite turbulente.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Reynolds

Ou l'évaluer si les formes sont plus complexes.
C'est le cas des prototypes. Ce sont de nouvelles formes.

Par la simulation réelle.

Par la simulation numerique.

Diverses et variées selon l'objet d'etude.
Ici pour les regimes turbulents, la methode est tres interressante. http://ljk.imag.fr/membres/Valerie.P...ese_deriaz.pdf

[invitee0b658bd]

bonjour,
l'angle de decrochage sur les profils classiques est de memoire de l'ordre de 17°. Dans des conditions pas courantes cela peut être beaucoup plus élevé (mais ce sont des conditions trees particuliéres)
fred

[invite4ba99b84]

Qu'implique cet angle de décrochage ? Que signifie-t-il concrètement ?

[invitee0b658bd]

Bonjour,
tu as ici un debut d'explication
http://guidedtour.windpower.org/fr/tour/wtrb/stall.htm
http://www.aviation-fr.info/aerodynamique/faqa22.php
fred

[invite4ba99b84]

Après ce petit délai de révision (de concours bien évidement ! =) ), je me suis consacré à la pratique. La pratique confirme la théorie , les roues à aubes vont plus vite moins il y a de pales. J'ai effectué deux séries d'expériences, j'ai fait tourner mes roues (allant de 4 pales à 8 pales) sous deux débits différents. A faible débit, les résultats sont bien moins bons, il n'y a pas vraiment de cohérence. A grand débit, au contraire, tout est parfait, les vitesses diminuent avec un nombre croissant de pales...
Ma première conclusion pour expliquer ceci, serait qu'à faible débit les pales étant moins bien entrainées, on joue plus sur la géométrie des pales et les imperfections de fabrication se ressentent. Alors qu'à grand débit, les imperfections sont "plus négligeables".

[invite4ba99b84]

Au final, si je comprend bien, c'est grâce à la force de portance que l'hydrolienne va tourner. Pourtant à haut débit (vitesse élevée) cette force devient faible devant la force de trainée, qui elle diminue avec un nombre croissant de pales...
Donc au final l'hydrolienne finira par s'arrêter à force de rajouter des pales...
Est-ce bien ça ?