Principe de fonctionnement éolienne Darrieus

[Mecakizi]

Bonjour à tous,

Je suis en pleine réflexion sur le développement d'une éolienne de type Darrieus.

C'est dans le cadre de Gimeole (concours d'éolienne urbaine des DUT GIM), que je veux faire travailler mes étudiants sur la conception d'une Darrieus.

-Conception d'un profil de pâle avec solidworks Flow Simulation
-FAO pour la fabrication sur une CNC 5 axes
-Gestion électronique du tsr etc...

Mais je bloque pour l'instant sur le principe même de fonctionnement de la darrieus, ce que je trouve sur internet est contradictoire avec mes simulations.



source : wikipedia

Alors que la simulation me donne (et ce qui me parait logique à première vue) une résultante qui freine le mouvement et non l'inverse...

Et en même temps les Darrieus fonctionnent très bien... mais comment? Voila ma question.

Merci d'avance pour vos réponses.

Pour les curieux: Nous sommes partis depuis 2 ans pour le concours gimeole, avec une idée complètement nouvelle. Récupérer l'énergie du vent sur le principe du drapeau (Brainstorming et méthode de conception ont permis aux étudiants d'arriver à ce résultat) baptisé L'ondulienne
http://www.dailymotion.com/video/xpo...nne-v2012_tech
-----

[phys4]

Bonsoir,

L'éolienne à pales fixes symétriques de votre dessin, ne peut pas produire de force positive. Il faut des pales inclinées avec courbure ou des pales orientables.
Voir par exemple les essais avec girouette : la girouette est indispensable pour moduler l'angle des pales en fonction de la direction du vent.
Les dispositifs d'orientation sont rarement décrits.
Vous pouvez aussi jouer sur la souplesse des pales pour moduler l'orientation.

[LPFR]

Bonjour Phys4.
Je crois comprendre qu'on peut obtenir une asymétrie dans ces machines grâce à la rotation des pales. C'est pour cela que dans ces turbines, le démarrage est difficile
Regardez les explications (succinctes) dans wikipedia.
Cordialement,

[obi76]

Bonjour,

à l'avenir, pensez à citer vos sources (pour les images entres autres).

Pour la modération,

[A voir en vidéo sur Futura]

[calculair]

Bonjour

J'essayerai de faire un calcul sur un tour complet en supposant une vitesse de vent et une vitesse de rotation

La trainee de la pale estT = 1/2 d Cx S V² et la portance = 1/2 Cz S V²

Les Cx et Cz sont données par les polaires des profils et dependent de l'angle entre la vitesse de la pale et celle du vent.

La principale difficulté est de trouver une polaire pour le profil sur 360° car dans le casde l'aviaztion , elles sont etudiées engeneral sir +/- 10°

Si non il faut faire la manip.....

[LPFR]

Re.
Je ne connais rien en aérodynamique. Mais les histoires du vent apparent sont surprenantes. Tous ceux qui on fait de la voile savent qu'au près, quand on prend de la vitesse, le vent "adonne" et on peut serrer le vent d'avantage.
A+

[calculair]

bonjour,

Oui c'est parfois pas evident car c'est bien la vitesse de l'air par rapport au mobile qui compte et non la vitesse par rapport au sol.

Un ami m'a raconté qu'en Afique avec un avion de Type Broussard , par un fort vent , le pilote commence son atterrissage en fin de piste, il ralentit le moteur et l'avion diminue sa vitesse face au vent, l'atterissage prend fin au debut de piste. L'avion a reculé par rapport au sol durant toute la phase de l'atterrisage..... Bref , je preferre voir ces choses de l'exterieur... C'est plus sur, même si les formules de l'aerodynamisme restent les mêmes pour un atterrisage classique.

[Mecakizi]

Bonjour,

Merci pour toutes ces réponses, et désolé de n'avoir pas cité wikipedia pour l'image.

De mon expérience, les éoliennes de type darrieus du concours gimeole (http://www.gimeole.ovh.org/spip/) peuvent avoir un profil symétrique.

C'était le cas en particulier d'un constructeur français. De plus aucune de ces éoliennes n'avaient de réglage du "pitch" (rotation des pâles) et toutes produisaient une bonne puissance.

Plusieurs article tel que : http://website.ec-nantes.fr/actesjh/...e/17-05-01.pdf
Les techniques de l'ingénieur indique aussi la même chose que wikipédia, un effort global positif.

Je me pose la question de l'angle de la pâle, est elle perpendiculaire au rayon? ( Toutes mes observations semblent m'indiquer que oui).

Je dois peut être me trompé dans la simulation, ou la simulation ne reflète pas la réalité...

[Mecakizi]

Voila une très bon article détaillé du fonctionnement des darrieus:
http://www.amics21.com/laveritat/int...d_turbines.pdf

[phys4]

Re.
Je ne connais rien en aérodynamique. Mais les histoires du vent apparent sont surprenantes. Tous ceux qui on fait de la voile savent qu'au près, quand on prend de la vitesse, le vent "adonne" et on peut serrer le vent d'avantage.
A+

Merci pour la participation, pour cette histoire de vent apparent, il est vrai que le vent se renforce quand un bateau prend de la vitesse mais cela ne permet pas de serrer le vent, au contraire, il faut augmenter l'angle d'attaque pour garder de la puissance.

Pour en revenir aux éoliennes, toutes les références, qui expliquent le fonctionnement, montre qu'il y a une flexibilité et un angle d'attaque variable. Comme cette dernière référence donnée par Mecakizi : http://www.amics21.com/laveritat/int...d_turbines.pdf

Le principe de base donnée dans cette référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine, ne fonctionne pas. Des pales rigides symétriques ne donnent pas de couple résultant..

[LPFR]

Bonjour Phys4.
Nous ne sommes pas d'accord sur ce que veut dire que le vent adonne.

Je n'ai pas trouvé, dans le lien donné par Mecakizi, qu'on parle de souplesse des lames.
Cordialement,

[calculair]

Bonjour,

Je ne sais si tu as suivi la discussion sur le char à helice, qui finit par aller plus vite que le vent. C'est conte intuitif, mais la realite confirme les equations et infirment le pifomètre....

Dans le cas de cette eolienne c'est un peu pareil. je pense juste qu'il faut prendre des conditions initiales avec l'eolienne en rotation lente pour facilité les calculs et bien analyser les directions apparentes des vents sur les pales.

Par contre il serait utile, comme je le disais precedemment de connaitre les polaires des pales sur ,je pense sur 360°.

[LPFR]

Bonjour Calculair.
Vous devriez vraiment regarder le lien donné par Mecakizi (post#9).
Ces éoliennes fonctionnent avec la vitesse des pales bien supérieure à celle du vent. L'angle d'attaque est toujours de face à 10° ou 20° près.
C'est pour cela qu'elles ont du mal à démarrer. À l'arrêt elles ne produisent pas de couple.
Cordialement,

[Mecakizi]

Bonjour LPFR,

Effectivement, elles doivent tourner très vite pour produire, dans le cas du concours les darrieus semble invisible dès qu'on a 7-8 m/s de vent.

La portance et la traînée peuvent être calculé théoriquement grâce à des profils connu dans l'aéronautique, par exemple le NACA 0012 (profil symétrique). La portance est donnée perpendiculaire à l' angle d'attaque, ce qui donne un effort positif tant que la traînée est faible.

Le profil symétrique est recommandé car l'angle d'attaque s'inverse de 180° à 360°.


D'après la théorie je comprends maintenant très bien le fonctionnement, mais je m'arrache les cheveux toute la nuit depuis quelques jours pour retrouver ce résultat en simulation. (Solidworks Fow simulation)

Quel logiciel me conseillez vous pour essayer autre chose?

[calculair]

bonjour,

dois je comprendre que vous possedez la polaire du profil pour des angles d'attaques de 0° à 360° ( ou 180°) et que donc vous connaissez le Cx et Cz du profil pour ces angles ?

[LPFR]

...
Le profil symétrique est recommandé car l'angle d'attaque s'inverse de 180° à 360°.
...

Bonjour.
L'angle d'attaque ne varie pas autant si la vitesse des pales est plus grande que celle du vent.
Ne seriez-vous en train d'essayer la simulation avec les pales à l'arrêt ?
Regardez les figures 4 et 5 du lien. L'angle d'attaque reste bien entre +/- 50°.
Regardez la figure 5: la durée des angles d'attaque positifs est plus courte que celle des angles d'attaque négatifs.
Dernière observation: dans le lien il est dit que les engins tournent à la fréquence du secteur !
Au revoir.

[Mecakizi]

Bonjour,

Oui tout est détaillé sur cette article : http://www.amics21.com/laveritat/int...d_turbines.pdf

J'ai donc essayé de retrouver cela par simulation, pour faire travailler mes étudiants sur le meilleur profil pour le concours.

Malheureusement mes simulations ne sont même pas dans le même ordre de grandeur des Cx et Cz...

[calculair]

Bonjour,

Personnellement si j'avais connaissances des lois Cx= F ( angle d'attaque) de Cz = G ( angle d'attaque) j'aurais fait le calcul avec un tableur excel et en prenant un increment de l'angle de 1° ou moins.

Sur 1 tour cela fait un tableau de 360 lignes ou plus selon l'increment...

De plus en faisant varier l'increment d'angle on voit trés vite si le resultat se stabilise.

On peut parametrer la vitesse du vent par exemple... le couple resistif....

[LPFR]

Bonjour Calculair.
Les caractéristiques sont peut-être ici:
http://library.propdesigner.co.uk/html/naca_0012.html
Cordialement,

[calculair]

bonjour

Merci pour ce site LPFR , que je ne connaissais pas.

Tu as effectivement la polaire sur +ou - 20°

Tu peux dans un premier temps l'approximer par une parabole et 2 droites


Cela doit pouvoir être utilisé pour faire un calcul. En tous les cas on commence par negliger les effets de bouts de pales ( trainées induites et perte de portance ).

Reste à savoir ce qui se passe pour des incidences au dela des 20°

Tu as même le Cm, mais je ne m'en suis jamais servi et donc je maitrise mal sa definition physique pour l'exploiter.

[calculair]

Bonjour,

J'ai commencé a faire quelques lignes du tableur EXCell pour voir....

En fait si l'eolienne tourne vite l'angle d'incidence du vent relatif est peu modifié, il se peut que pour des vitesse assez grande, laconnaissance sur +/- 20° de la polaire et suffisant...

maintenant il faut faire un peu de geometrie pour calculer les resultantes des forces et des couples exercés

[Mecakizi]

Voila le genre de résultats que j'obtiens, le vent en X est de 35m/s et Y 7m/s

L'intégral des forces sur la surface du profil (hors bords) me donne X 0.064N (s'oppose au mouvement) et Y1.988 N

Est ce que cela vous semble correct comme résultat?

[obi76]

Bonjour,

si vous voulez j'avais calculé la norme de la force résultante d'un profil "classique" en fonction de l'angle d'incidence et de la vitesse du vent, il faudrait que je remette la main sur le graphique (il date...)

PS : trouvé. Ce sont les portances/trainées linéiques (arbitraires, sur Z) en fonction de l'angle d'incidence (en degré, sur X) et la vitesse de l'air (en mach, sur Y)Trainee(bar)_V(Mach)_Attaque(deg).pngPortance(bar)_V(Mach)_Attaque(deg).png

[calculair]

Bonjour,

Je ne sais pas bien interpreter les resultats de votre logiciel, qui doit être tres commode lorsque on a l'habitude de l'exploiter.


Il me parait plus physique, et plus interessant pour bien comprendre le fonctionnement de cette eolienne, de faire le calcul de la portance, de la trainée, et du couple pour chaque position de la pale par rapport au vent.

J'ai proposé de decouper la rotation en 360 positions espacées de 1°

pour chaque position, on a un Cx, Un Cz, une vitesse de vent relatif, un couple de force.....( il faut faire un peu de geometrie pour avoir les angles et les modules des vecteurs,)

On calcule le travail pour l'element de rotation de 1° et pour la pale

On trouve le travail total en sommant tous les travaux sur un tour complet

Je n'ai pas reflechi pour trouver la vitesse de rotation, mais sans doute en equilibrant le travail resistif qui devrait augmenter lineairement avec la vitesse ( je pense ) et le travail moteur des pales.

[Mecakizi]

Merci pour les fichiers, je vais regarder de plus près.

[guiart]

Bonjour,

voici un petit lien qui explique le fonctionnement d'une éolienne Darrieus de manière assez simple...
http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD030...us/marched.htm


Est ce que tout est bien correcte dans cette présentation?

Bonne journée

[guiart]

Par contre je ne comprend pas l’intérêt d'une voilure conique ou parabolique...

Quelqu'un peut m'expliquer?

Merci

[LPFR]

Bonjour.
Effectivement, c’est la première explication simple que je lis. Merci.

Les seuls avantages que je vois par rapport à une géométrie « cylindrique » est moins de masse et moment d’inertie plus faible (ce qui facilite le démarrage).
Au revoir.

[Dynamix]

Est ce que tout est bien correcte dans cette présentation?

Graphiquement les vecteurs P sont trop petits par rapport aux T
Le T de droite devrait être nettement plus grand que le T de gauche .
Mais à part ces détails , je n' ais jamais vu mieux comme explication

Par contre je ne comprend pas l’intérêt d'une voilure conique ou parabolique...

Un couple plus uniforme .

[Mecakizi]

Bonjour,

Depuis 2012... date de mon post initial, du vent à pu coulé sur les pales.

On est devenu des passionnés des éoliennes darrieus, on a du en fabriquer pas loin de 40 variantes depuis 2012.

On a gagné le concours d'étudiant en 2014.
Petit bilan:
Les darrieus démarrent seules sans problème si on a un faible couple résistant au démarrage.
La taille des pales, le profil influent énormément sur les performances. Entre 2014 et 2015 on est passé de 750W à 1050W juste en modifiant le profil.

Je suis dispo pour plus de détail si vous ceux qui seraient intéressés

Stéphane
https://www.youtube.com/watch?v=uzR3S7upq2c
https://www.youtube.com/watch?v=AUQ7f8kI2DE