Profil de pales d'éolienne et conception de moule associée

[invitea4dd7df4]

Etant étudiante en première année de DUT Génie Industriel et Maintenance, il y a un mois de ça nous avons été répartis dans différents projets tuteurés qui vont nous suivre pendant un an et demi.
Ainsi dans le cadre du concours GIM'Eole au quel je suis rattachée, je me vois chargée de la conception d'une éolienne, et plus précisément des pâles.
Tout d'abord notre professeur tuteur va ainsi tenter de rentrer en contact avec le département Plasturgie de l'INSA Strasbourg afin de les réaliser en plastique.
De plus nous prévoyons de concevoir une éolienne à axe horizontal munie de pâle non vrillées et donc équipée d'un élément faisant varier l'angle d'incidence. Dans cette optique notre première étape est de décider de la forme primaire des pâles.
N'ayant aucune notion dans ce domaine et sachant qu'elles doivent mesurer environ 250mm de longueur, je viens ici à la recherche de quelques conseils notamment sur la conception du moule et quel profil de pâle serait le plus adapté.
Dans une optique encore un peu plus avancée, je voudrais aussi me renseigner sur la manière de placer des fibres d'acier dans le moule afin que l'éolienne reste en un seul morceau à trop grande vitesse de rotation.
Merci d'avance
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[JeanYves56]

Bonsoir ,


Vous voulez faire une hélice à pas variable , plusieurs mécanismes , pas simple à réaliser .
Vous pourriez peut etre vous rapprocher de personne d'aero club pour la fabrication des pales .

C'est du moulage avec inclusion que vous cherchez à faire , la matiere est versée dans le moule à l'etat liquide , moule simple et peu onereux

[invitef29758b5]

Salut

De plus nous prévoyons de concevoir une éolienne à axe horizontal munie de pâle non vrillées et donc équipée d'un élément faisant varier l'angle d'incidence.

Tu veux dire que la pale n' est pas hélicoïdale ?
C' est très mauvais et le pas variable ne compensera pas ce défaut .
Le pas variable est une complication inutile .
Pour le profil , ne te casses pas la tète , il n' y a pas grand chose à gagner .
Un bon vieux clark y fera parfaitement l' affaire .

Les pales ne sont pas obligatoirement pâles , tu peux vouloir foncer .

[invite896757ff]

Les anémomètres ont des pales en godets, et pourtant ils tournent.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitef29758b5]

Les anémomètres ont des pales en godets, et pourtant ils tournent.

On ne demande pas à une éolienne de tourner bêtement , mais de fournir de l' énergie mécanique .
Certaines simplifications de la conception font perdre peu d' énergie et d' autre en font perdre beaucoup.
Le pas variable , par exemple , est une complexité dont on peu se passer .

[harmoniciste]

Bonjour,
- Un anémomètre à godet est a axe vertical.
- Tourner ne suffit pas, il faut en plus produire du couple.

[harmoniciste]

A marmelade. Tu pars avec beaucoup d’à-priori, il me semble.
Pourquoi moulée?
Pourquoi un pas variable?
Pourquoi non-vrillées?
Pourquoi des fils d'acier?
Tu parles bien de 5 m de diamètre environ?

[f6bes]

Tu parles bien de 5 m de diamètre environ?

Bjr à toi,
10 mm dans 1 cm...... t'as un zéro de trop !! (.....250mm de longueur,...)
Bonne journée

[invite896757ff]

je voudrais aussi me renseigner sur la manière de placer des fibres d'acier dans le moule afin que l'éolienne reste en un seul morceau à trop grande vitesse de rotation.
Merci d'avance

Une éolienne couplée à un alternateur via un réducteur a peu de risques d'atteindre de trop grandes vitesses

[invitef29758b5]

Tout d'abord notre professeur tuteur va ainsi tenter de rentrer en contact avec le département Plasturgie de l'INSA Strasbourg afin de les réaliser en plastique.

Inutile de vous compliquer l' existence , le bois convient très bien .

[cardan]

Bonjour,

Oui le bois pourrait convenir mais à partir de la maquette numérique cela nécessiterait peut être de l'usinage sur une commande numérique bois...donc à voir avec une menuiserie qui fait de l'usinage bois en CNC. Il pourrait y avoir aussi, si les pales ne sont pas usinées dans le même billot de bois (hêtre ? ), des variations de densité qui peuvent induire un défaut d'équilibrage important (taux d'humidité du bois variable d'un billot à l'autre pour la même essence)...Je pense qu'au départ il faut déjà trouver le bon profil. Clark ? Naca ? Quelles références ? Avec des pales non vrillées on simplifie sûrement le moule si la solution de réalisation envisagée reste du moulage...après c'est vrai qu'elles ont un moins rendement que des pales vrillées...A bientôt ...

[invitef29758b5]

cela nécessiterait peut être de l'usinage sur une commande numérique bois.

Comment on faisait avant la CN ?
On ne fabriquait pas d' hélices ?

Il pourrait y avoir aussi, si les pales ne sont pas usinées dans le même billot de bois (hêtre ? ), des variations de densité qui peuvent induire un défaut d'équilibrage important

Une sélection des "billot" vous évitera de gros défaut .
Et de toutes façons , quelque soit le procédé et la matière , l' équilibrage est indispensable .

Je pense qu'au départ il faut déjà trouver le bon profil.

Sans trop te casser la tête .
En pratique n entre bon profil et un super profil tu ne verras pas la différence .

[cardan]

Bonjour,

Oui le bois peut aussi convenir je pense comme je le dis, après pour le procédé d'usinage : C.N ou gouge et rabot je ferai assez vite le choix car je pense que la maquette numérique assez facilement abordable à partir d'un logiciel de conception d'hélice sera plus facilement usinable (choix du bois ?..fibres courtes..) sur une CN bois, les tolérances de forme sur le profil mieux respectées également. Après bien évidemment qu'il doit exister des menuisiers qui travaillent avec des gabarits pour sortir une hélice d'un billot mais ça me parait pas évident pour un néophyte ..je dirai même que c'est tout un art donc vraisemblablement un métier ...Y a déjà des pistes pour éclairer Marmelade ..notamment sur le bois.

[invitea4dd7df4]

Tout d'abord merci beaucoup pour toutes vos réponses,
Elles m'ont principalement menées vers de nouveaux questionnements, qui j'espère, trouveront encore une réponse ici.
Dans un premier temps je me demandais quel pouvait être un profil NACA ou Clark ou même autre adapté à une éolienne horizontale, dans le but de visualiser un peu plus concrètement tout ceci.
De plus, si l'on considère le profil de la pale connu, comment se réaliserait le moulage associé avec par exemple une référence de résine adaptée, en pensant aussi au renforcement nécessaire.
Accessoirement, le bois semble aussi une proposition intéressante de matériau, mais à ce moment là il faudrait que je contacte une menuiserie travaillant numériquement, si vous avez des pistes là dessus.
Bonne journée à tous !

[polo974]

bonjour,
il faudrait déjà définir un peu le vocabulaire:

longueur de pale (sans le chapeau): en gros, c'est le rayon du disque parcouru par l'hélice.
pied de pale: le bout coté axe
bord d'attaque: bord "avant" du profil, normalement arrondi
bord de fuite: bord "arrière" du profil, normalement effilé
corde de la pale: c'est la long entre le bord d'attaque et le bord de fuite. la corde peut varier (la corde est normalement plus faible en bout de pale qu'au pied)

donc, maintenant, les 250 mm c'est quoi ?

dit autrement: quel diamètre, quelle puissance visée pour quel vent...

le pas variable est utile pour une vitesse de rotation (quasi constante), mais ne sera optimal que pour une position (sinon, il faudrait un vrillage variable ! ! ! )
le pas variable permet d'arrêter une éolienne en la mettant en drapeau.
mais le pas variable est compliqué...

la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse du vent, donc sauf cas très particulier, inutile de grattouiller les faibles vitesses de vent.

[invitea4dd7df4]

Je me sens déjà un peu plus avancée avec vos petites précisions ahah, mais comme je le disais 250 mm équivaut à la longueur de pale.
Concernant la vitesse du vent, on peut définir 2 limites. Tout d'abord, une phase où la charge est connecté à 55km/h et une autre, plus pour un aspect sécuritaire, où la charge est déconnecté et où le vent atteint 70km/h
Et finalement pour la puissance visée... on dira qu'on visera le plus possible. Cependant 2 notions sont abordées dans le cahier des charges. La vitesse d'accroche sera un paramètre déterminant, donc il faut qu'elle puisse produire rapidement. Puis, avant la phase de déconnexion qui a lieu au bout de 4 minutes et demi environ, la puissance produite devra être supérieure à 50W.

[polo974]

bon, pour un diamètre de 50 cm, et un vent de 55 km/h, la puissance théorique est de 250 W.
prenons un rendement global de 50 % on obtient 125 W. le besoin est de 56 W, ceux ci sont dispos à 55*(56/125)^(1/3) = 42 km/h (j'ai mis 56 W pour ne pas mélanger avec 55 km/h).

la puissance dispo au quart des 55 km/h soit environ 14 km/h (3.9 m/s environ) n'est que de 125/(4^3) soit 125/64 = moins de 2 W (en gardant le rendement de 50%).
donc vouloir produire aux plus faibles vents est une assez fausse bonne idée...

par grand vent (70 km/h ?), vu que la vitesse de rotation est proportionnelle à la vitesse du vent (si hélice à pas fixe), il faut juste prévoir que l'éolienne puisse tourner à cette vitesse, et surtout ne pas essayer de consommer la puissance, il faut laisser le "surplus de vent passer à travers" ...

quelle sera la génératrice? si à aimant fixe, la plage de tension à exploiter sera large, et ça compliquera l'électronique. si à excitation commandée (comme un alterno de voiture), il "suffira" de réguler l'excitation pour obtenir la tension voulue, et consommer le courant nécessaire.

bon, ok, ça ne touche pas l'hélice, mais c'est un projet global, et pas une superposition de petits projets totalement indépendants.

l'hélice dépend énormément de la génératrice et de l'électronique positionnée derrière. on peut toujours se décharger sur l'électronique, mais ça risque d'être mal vu...

[cardan]

Bonjour,

Souvent en dessous de 20...à 25 km/h il ne se passe rien car la vitesse d'accrochage de l'éolienne c'est à dire par exemple celle où elle produit son premier Watt se situe à minima à ces vitesses là. Le savionnus a l'avantage du démarrage mais plafonne assez vite en puissance mais il fournit un bon couple, c'est un peu le cheval de trait des éoliennes...pour les éoliennes à axes horizontaux elles démarrent plus tard mais ont un meilleur rendement; montent mieux en puissance mais nécessitent une orientation.

Bien évidemment comme le souligne POLO la combinaison hélice / alternateur fixera le point de fonctionnement ainsi que le réglage de la carte électronique. Pour répondre à Marmelade je dirai qu'il faudrait dans un premier temps trouver un bon profil de pale. Clark ? Naca ? Ou autre...Puis après s'occuper de la réalisation : bois usiné, moulage, etc..mais à partir d'une maquette numérique avec des dimensions pour la pale afin de pouvoir se situer concrètement.

A bientôt ....

[invitea4dd7df4]

Etant équipée du logiciel Heliciel, j'aimerais avoir une vision plus concrète des profils adéquats.
Ainsi si certains ont des connaissances en hélices permettant de me guide, cela m'aidera grandement et nous permettra à tous d'être moins dans le vague.

[invitef29758b5]

j'aimerais avoir une vision plus concrète des profils adéquats.

Traduction stp ?
Tu veux voir les profils ?
Ou voir leurs polaires ?

[annjy]

Bsr,
une imprimante 3D pour faire un proto, qui pourra servir à faire un moule..... ?

je pense bien moins cher qu'un usinage CN

cdlt,
JY

[polo974]

https://m-selig.ae.illinois.edu/uiuc_lsat.html

Serge Barth avait pondu pas mal de profil fin des années 90.
ça explosait les "classiques" aux faibles Reynolds:

https://tracfoil.com/airfoils/index.php?page=fr_s
https://tracfoil.com/airfoils/upload...sb96_127_3.dat

mais bon, c'est pas tout d'avoir le bon profil, il faut aussi le mettre dans le bon sens ...

[harmoniciste]

Bonjour,
En théorie, il vaut mieux un profil cintré capable de produire la même poussée à plus faible vitesse et perdant donc moins d'énergie par friction sur l'air (Haut Cz max). Mais aux régime de fonctionnement d'une éolienne, cette perte est anecdotique.
Un "excellent" profil et un profil "médiocre" donneront donc en pratique les même résultats.
La recherche d'un rendement maximum n'a guère de sens quand l'énergie initiale est gratuite.

[invitef29758b5]

La recherche d'un rendement maximum n'a guère de sens quand l'énergie initiale est gratuite.

Par contre , il est bon de minimiser la poussée axiale .

[Gwinver]

Bonsoir.

La recherche d'un rendement maximum n'a guère de sens quand l'énergie initiale est gratuite.

Oui pour un TIPE surtout que la première réalisation est la base pour faire ensuite évoluer le projet.
Mais l'exploitation de l'énergie gratuite en question est assez coûteuse a un impact environnemental important et n'est pas encore l'objet d'une grande acceptation des voisins. Installer par exemple 10% ou 20% d'éoliennes en moins à production équivalente peut s'avérer très utile.

[cardan]

Bonjour,

Bien que l'énergie de départ soit gratuite je pense qu'il y a lieu quand même de prendre en compte les problèmes de rendement car même si le vent est gratuit les éléments de construction ne le sont pas. L'acquisition d'un éolien a un coût et les gens veulent savoir en général s'ils amortiront leur acquisition ou pas et en combien de temps, une étude du potentiel "vent" de leur terrain leur est parfois proposée d'ailleurs justement pour ça. Au bout de 4 ou 5 ans de fonctionnement voire avant d'ailleurs se posent des problèmes de maintenance...donc vaut mieux avoir amorti son affaire ou alors se dire, ce qui est parfaitement recevable aussi, qu'on le fait pour la planète sans souci de rentabilité. D'ailleurs tout au long de la chaine cinématique on en perd...avec Betz..avec le rendement du guidage..le mauvais point de fonctionnement de l'alternateur...la carte...batterie...Pour les pales il peut être judicieux de choisir des pales qui ont une bonne finesse mais surtout qui permettent à l'éolienne de démarrer tôt, un bon vieux savionnus ferait sûrement l'affaire mais là on est dans le cadre de ce projet sur une éolienne à axe horizontal. En effet on peut je pense avoir des éoliennes très puissantes qui démarrent tard et donc qui au delà du signal d'immobilisme qu'elles renvoient à leur propriétaire ne captent pas...80 % des vents compris entre 20 et 50 km/h par exemple car elles ont une mauvaise vitesse d'accrochage..A bientôt ..

[harmoniciste]

Bien que l'énergie de départ soit gratuite je pense qu'il y a lieu quand même de prendre en compte les problèmes de rendement car même si le vent est gratuit les éléments de construction ne le sont pas.

La différence entre un profil idéalement adapté et un profil "moyen" m'apparaît inférieure à 2 %, si je me réfère aux hélices de propulsion à profil sommaire qui donnent des différences de cet ordre par rapport à la théorie de Froude (théorie supposant nulle les pertes par frottement, turbulence, et les pertes par rotation résiduelle de la veine)

[invitea4dd7df4]

La solution impliquant une imprimante 3D paraît plutôt intéressante.
Mais à ce moment là comment réaliser les différentes étapes ?
Impression d'une pâle en ABS, utilisation de ce prototype comme modèle et tout ceci afin d'en faire un moule en carbone.

[harmoniciste]

Pourquoi faire un moule sans contrainte importante en fibres de carbone?
Pourquoi pas une hélice en ABS si l'impression 3D le permet? La vitesse tangentielle en bout de pales est de l'ordre de celle du vent: Les contraintes centrifuges sur cette éolienne de 0.5m de diamètre sont donc faibles .

[polo974]

La solution impliquant une imprimante 3D paraît plutôt intéressante.
Mais à ce moment là comment réaliser les différentes étapes ?
Impression d'une pâle en ABS, utilisation de ce prototype comme modèle et tout ceci afin d'en faire un moule en carbone.

Impression d'un moule (en pla ou autre), afin d'en faire un pale en carbone. (mais ensuite, comment les assembler au moyeu ?)

en fait, 2 demi moules...

pale, sans accent circonflexe.

vu le diamètre, il vaut quand même mieux choisir un profil dédié aux faibles reynolds...

et surtout ne pas surcharger l'hélice aux faibles vents pour ne pas trop faire décrocher la pauvre hélice...
(à pas fixe, le couple est normalement proportionnel au carré de la vitesse de rotation, mais plus mauvais rendement aux faibles vitesses)