Suite aux expérimentations sur soufflantes

 I/ RAPPEL DE NOTION DE CHARGE, DE "VENT RELATIF" ET D'INCIDENCE

1/ Evolution de la charge de puissance d'une hélice

Les courbes de charge de machines éoliennes, à vitesses de vent définies, ont été mises parfaitement en évidence par G. Lacroix au cours des années 1920.

L'allure générale des courbes a déjà été schématisée par le graphe "Optimum de puissance par rapport aux vitesses de rotation libres", dans : "FAQ: En réponse à vos questions".

Le graphe ci après est encore plus explicite des différentes phases de comportement ou de situation.

L'optimum se situant sensiblement aux 3/4 de la vitesse de rotation libre, si une hélice possède un rapport U/V à vide de 8,50, ce rapport chûtera à 6,40 environ à pleine charge.

Ainsi, et par conséquence, une hélice ne commençant à produire que par un vent de 5 m/s, n'utilisera complètement la potentialité du vent qu'à plus de (5/0,75) 6,50 m/s.

Il y a donc toujours lieu d'indiquer le taux de charge lors de la mention du rapport U/V (ou lambda), ce chiffre ne veut rien dire si ce paramètre n'est pas précisé.

2/ Vent relatif et incidence

• Ce que l'on nomme "vent relatif" (voir également "En réponse à vos question" Effets du vent sur profil de pale), possède, avant entrée dans le profil de pale, un certain angle de pénétration par rapport à la ligne neutre (ou éventuellement la corde) de ce profil.

C'est ce que l'on désigne communément "angle d'incidence".

A noter, que l'axe neutre du profil correspond à la situation que prend naturellement ce profil en soufflerie, la corde étant qu'une liaison entre le bord extrême d'attaque et le bord de fuite.

II/ ÉVOLUTION DE L'ANGLE D'INCIDENCE AVEC LA CHARGE

1/ Comportement général

Contrairement à ce qui a été dit, à partir des observations sur profils d'ailes d'avion, en situation de portance :

• Sur un profil de pale d'éolienne ou d'aérogénérateur (en dessous de la charge de décrochage), : 

L'ANGLE D'INCIDENCE DIMINUE LORSQUE LA CHARGE DE TRAVAIL AUGMENTE.

C'est un aspect fondamental pour la compréhension des écoulements sur les profils éoliens.

2/ Variables de comportement

Cette diminution d'angle d'incidence présente cependant différents aspects, selon les caractéristiques des hélices, comme nous allons le voir ci après.

Nous essaieront d'en dégager les principales raisons et les conséquences.

Il y a lieu de signaler que le type de profil utilisé semble ne pas affecter sensiblement les écoulements sur les profils, tout du moins pour ceux qui se rapprochent des plus fonctionnels.

III/ OBSERVATIONS EXPÉRIMENTALES

1/ Conditions générales

Soufflante :

• Vitesse de flux de 6 m/s;

• Angle d'incidence (Ai) du flux pris à 30 mm devant les pales, et à 25 mm de leurs extrémités;

• Vapeur de "fumées" localisée et spot d'éclairement pour observation d'écoulement, de visu, sur profil.

Hélices :

• Pour simplifier, un profil type 44012 a été utilisé, avec 2 profondeurs différentes :

• Gauchissement de 16° environ, angle de calage sur corde de 4°;

• Hélices de 2 et 6 pales.

• Rapport U/V à vide voisin de 8,5 ;

• Charge de travail correspondant à 75 % de vitesse à vide.

Le plan de rotation est désigné uniformément sous l'abréviation Pr et l'axe de rotation par A sur vues de gauche.

2/ Hélice de 6 pâles

A/ À vide

On remarquera :

• Que le vent "relatif"(Vr) pénètre dans le profil avec un angle d'incidence à vide (Aiv), voisin de 30°;

On peut discerner :

• Une déviation notable devant le bord "attaque" (bord avant), sur l'intrados

• Un angle de déflexion motrice à vide (Dmv), par rapport au plan de rotation et près du bord de fuite.

Schématisation d'écoulement

B/ Sous charge

En dessous de la charge de décrochage

On remarquera :

• Que vent relatif (Vr) pénètre dans le profil selon un angle incidence en charge (Aic) de 20° env., bien inférieur à l'angle d'incidence à vide (Aiv).

On peut déceler que :

• La déviation de bord d'attaque se trouve atténuée;

• La déflexion (Dmc) est pratiquement identique à la déflexion(Dmv), observée précédemment.

Schématisation d'écoulement

3/ Hélices de 2 pâles (profondeur de profil de 1/12 ème du diamètre)

A/ À vide

On remarquera :

• Que vent "relatif" (Vr) pénètre dans le profil avec un angle d'incidence (Aiv), très important, de l'ordre de 80°.

On peut discerner :

• Un angle de déflexion à vide (Dmv) qui semble très important;

• Un écoulements anti moteur (Eam) conséquent sur l'intrados près et en direction du bord d'attaque;

• La création d'une zone de turbulences importante en extrados.

Schématisation d'écoulement

B/ Sous charge

En dessous de la charge de décrochage

On remarquera :

• Que le vent "relatif" (Vr) pénètre dans le profil selon un angle incidence (Aic) pratiquement identique à l'angle d'incidence à vide (Aiv).

On peut déceler :

• Une déflexion en charge (Dmc) qui semble identique sinon moindre de la déflexion (Dmv);

• Un écoulement de retour anti moteur (Eam), s'infléchissant vers l'avant et qui semble en diminution par rapport à la situation à vide;

• Peut être, une diminution de turbulences en extrados.

Schématisation d'écoulement

4/ Hélices de 2 pâles (profondeur de profil de 1/20 ème du diamètre, à 95 %)

A/ À VIDE

Il semble :

Que les écoulements sont sensiblement identiques au cas précédent, on pourrait toutefois déceler un accroissement de la déflexion (Dmv) au détriment de la déflexion résultante globale.

Schématisation d'écoulement

B/ SOUS CHARGE

En dessous de la charge de décrochage, il semble que les écoulements sont sensiblement identiques à la situation à vide. Une atténuation de la déflexion (Dmc) semblerait toutefois apparaître.

IV/ COMMENTAIRES SUR LES OBSERVATIONS

1/ Comportement réactif des profils éoliens

Les observations montrent que nous sommes en présence d'écoulements essentiellement réactifs, assimilables aux écoulements de flux sur les aubages de turbines à vapeur ou de "réacteurs" d'avions.

La notion de portance semble donc tout à fait inadaptée à la situation et ne peut intervenir que dans un contexte indicatif de pression sur hélice.

L'amélioration de la puissance obtenue en utilisant un bord de fuite cambré, permettant, après mise en pression sur profil de dévier le flux au plus près du bord de fuite, confirme d'ailleurs cette infirmation.

2/ Notion d'un écoulement "anti moteur"

Il est assez logique de penser que les écoulements (Eram) déviés en "intrados" (1) et faisant retour vers le bord d'attaque puissent être considérés comme un aspect d'anti performance motrice d'un profil.

La performance résultante serait, à priori, la différence entre l'effet moteur indéniable se trouvant dans l'écoulement en direction du bord de fuite, et, l'effet anti moteur provoqué par l'écoulement dévié vers le bord d'attaque.

Il y aurait opportunité de pousser plus loin ces recherches de base en réalisant des enregistrements photographiques, des chiffrages des valeurs motrices et anti motrices selon différents type de profils, et, de traduire ces données en équations.

(1) Terme qui n'est peut être pas tout à fait approprié dans le cas éolien.

3/ Cas des 6 pâles et plus

Si nous étions en conduite forcée, les hélices mutipales pourraient être comparées aux turbines hydrauliques de type Kaplan ou Négri, où les mêmes phénomènes d'écoulement se trouvent observables.

Il semble que la déflexion motrice soit faible, mais, la pression étant forte en basses vitesses de flux par suite du nombre et de la surface des pales, le rendement global peut être ainsi satisfaisant

4/ Cas des hélices de 2 à 3 pâles

Si l'on peut entrevoir que les facultés énergétiques soient issues à la différence d'angle entre celui d'incidence en charge (Aic) et celui de déflexion (Dmc), l'ampleur de la déflexion semble à son plus au niveau sur ces types d'hélices, mais, l'écoulement anti moteur (Eam) semble maximum .

Par ailleurs, il semble que le bruit produit par ces hélices, reconnu par tous les intervenants , soit le résultat d'un effet de frappe sur l'intrados, d'une part, de cavitation en extrados des pales, d'autre part.

Le vent relatif étant peu dévié en amont et en aval de l'hélice, (en particulier dans le cas des machines de grandes dimensions et de vitesse angulaire faible), on peut envisager que chaque pale travaille pour son propre compte, avec peu d'inter réaction entre elles.

La conservation presque laminaire du flux peut constituer un atout au crédit de ces hélices pour ce qui concerne les implantation en "fermes" éoliennes.

V/ ÉTUDE DU DÉCROCHAGE ÉOLIEN

1/ Rappel

Le "décrochage" s'observe lorsque l'on met une hélice en surcharge (voir courbe "optimum de puissance par rapport aux vitesses de rotation libre", dans, "FAQ: En réponse à vos questions").

A vitesse de flux égale, la courbe de puissance produite croit sous la charge alors que la vitesse de rotation diminue, puis la puissance marque un palier, pour commencer à décroître plus ou moins rapidement selon le type d'hélice.

Dans cette dernière phase, on observe un changement de bruit provoqué par les cavitations et turbulences, phénomène observable également sur turbines hydrauliques.

2/ Cas des hélices multipâles

Dans ce type d'hélice, on a montré que le décrochage de la puissance traîne en longueur, caractéristique intéressante, car elle permet à ce type d'hélice d'avoir une bonne capacité de réponse, ou de reprise, lors des fluctuations de vitesse du vent.

3/ Cas des hélices bi ou tripâles

Le décrochage est très rapide après dépassement du maximum, et, l'on peut avancer que ce décrochage est d'autant plus rapide que la surface de pale exposée / surface de révolution ou balayée (coefficient de plénitude) est faible

A ce stade, l'écoulement anti moteur semble alors augmenter au détriment de l'écoulement vers le bord de fuite.

VI/ APARTE ÉNERGÉTIQUE

1/ Introduction

Les observations précédentes sont à rapprocher des particularités chiffrées de production de machines.

Nous évoqueront seulement deux ratios essentiels de comparaison de machines.

2/ Puissance / surface de pales

SI l'on s'en tient à l'expérimentation et aux résultats de machines actuelles, en rapport au coefficient dit de "plénitude", les résultats d'une bipale ou tripale à profil étroit sont très élevés.

On ne peut en dire autant des multipales. D'ailleurs, on sait pertinemment depuis bien longtemps, que si l'on double la largeur d'un profil, l'énergie qui en résulte n'est pas double mais, seulement multipliée par 1,6.

Ce nombre 1,6 est bien connu des astrologues, des astronomes et des physiciens, qui l'ont appelé le nombre d'or.

3/ Puissance / surface de révolution, ou balayée

Selon les mêmes expérimentations et les résultats de machines, le résultat global d'une hélice de 2 ou 3 pales est loin d'atteindre celui des multipales, en particulier en basses vitesses de vent ou de flux, où, la bipale (pour exemple) ne peut le plus souvent (vers 4,5 m/s) faire acte de fonctionnement utile.

Si l'on prend une vitesse de vent de 6 m/s, vitesse de vent supposée instantanée, une multipale pourra développer une puissance brute de plus de 110 W/m², alors qu'une tripale (de meilleur rendement qu'une bipale) n'atteindra guère qu'un peu plus de moitié.

VII/ PROSPECTIVES

Les axes de recherche ne manquent pas, et ce, d'autant que les recherches actuelles, notamment en soufflerie, semblent encore se focaliser sur l'étude de portance des profils.

Les observations effectuées laissent entrevoir qu'il y a encore bien des aspects à vérifier et à essayer de comprendre, "felix qui potuit rerum cognoscere causas" . . .

Comme toutes explorations participent à parfaire les connaissances et, par conséquent de pouvoir construire des machines plus rationnelles, nous avons dans le cadre de recherche de l'association Eole + défini plusieurs priorités.

Ainsi, au cours des travaux de laboratoire ou assimilables nous étudierons :

• Les définitions des meilleures visualisations des écoulements;

• L'intégration numérique a des visualisations de veines de flux;

• Les répartitions de pression et l'optimisation de rendement le long de profils gauchis;

• La valeur optimale de gauchissement;

• Les causes du prolongement de l'accroissement du rendement des multipales au delà de 10 m/s;

• Les écoulements en phase de décrochage,

• Les évolutions de puissance en fonction des pressions sur hélice,

•  Le coefficient dynamique de réception de pression,

•  Les limites d'accroissement de rendement selon nombre de pales

puis, à l'aide du prototype, nous aurons la possibilité d'utiliser la machine avec 2, 3, 6, 9 et 12 pales,

pour confirmation :

• De l'énergie potentielle contenue dans les basses vitesses de vent;

• Des calculs de pression sur hélice;

• Des écoulements sur profils.

et étude :

• Des décrochages;
  

Ces axes de recherche ne sont pas restrictifs.