Nous allons aborder ici la conception d'une turbine hydrolienne en eau libre avec héliciel . La turbine hydrolienne diffère de la turbine hydraulique type Kaplan du fait qu 'elle n'est pas en conduite forcée. L' étude de la turbine hydraulique type Kaplan en conduite forcée est détaillée dans les didacticiels et pages traitant des centrales hydrauliques.

• Lire aussi pour infos générales sur les hydroliennes, l' article général traitant des hydroliennes.
• Les hydroliennes sont de même nature que les éoliennes, c'est pour cela que le didacticiel sur les éoliennes doit être consulté pour maîtriser la notion pré-requise de vitesse et de point de fonctionnement optimum du rotor de captage d’énergie.

La spécificité des hydroliennes tient principalement dans la maitrise des problèmes de cavitation... Nous allons donc voir comment gérer et visualiser la cavitation de notre hydrolienne , Pour commencer , ouvrons un modèle d'hélice de type captage en utilisant le menu fichier:

• Le projet hydrolienne par défaut, est une étude d'hydrolienne Sea Gen de 16 mètres de diamètre dans un courant de fluide de 2.4 m/sec Nous utiliserons cette hydrolienne Sea gen pour notre étude de cas:

• Diamètre rotor=16 mètres
• Vitesse fluide au point de design = 2.4 m/sec

 

• Le Point de fonctionnement pour lequel la géométrie de ce modèle a été optimisé ("Point de design") est visible dans l'onglet 1.3 Point de fonctionnement:
  • vitesse fluide 2.4 m/sec,
• vitesse de rotation 18.2 rpm
• Les paramètres dimensionnels de la pale sont visibles dans l'onglet 2.1 "Dimensions pale":
  • Le rotor est de 16 mètres de diamètre , donc le rayon en bout de pale est de 8000 mm.
  • Le rayon au pied de pale est estimé à 17% (1360mm)
  • la corde au pied de pale est estimée 2000 mm
  • la corde en bout de pale est estimée à 1000 mm
  • la répartition des cordes intermédiaires a une équation de Corde=(2,510035E-05) x r²+(-0,3855419)xr+2477,912
• Sous l'onglet 2.2 Le profil constant est naca643418

 

Affichons le modèle 3D de cette hydrolienne (projet hydrolienne par défaut depuis la version 9.2.1.7, si votre version est antérieure, téléchargez votre mise a jour..gratuite, pour rappel les nouvelles versions sont gratuites quel que soit la date de votre version)

• La puissance a l'arbre est de 0.78 MW environ, cette hydrolienne est annoncée pour une puissance de  1.2MW  avec 2 rotors , si nous prenons notre modèle 0.78x2=1.56 MW à l'arbre , en appliquant un coefficient de rendement de 0.77 pour la démultiplication et la génératrice , nous retombons sur les données fabricant.

La notion de "point de fonctionnement" et de "point de design" doit être différenciée:

• le point de fonctionnement est , pour une vitesse de fluide donnée, la vitesse de rotation réelle de l’ hydrolienne. Cette vitesse de rotation réelle dépend de l'équilibre entre le couple produit par le rotor hydrolien, et le couple résistant de la génératrice et des divers organes. Si le couple résistant est inférieur au couple du rotor, l'hélice tournera plus vite, jusqu'à ce que son couple soit égale au couple résistant. Si le couple résistant est nul , (boite de vitesse brisée, génératrice sans charge...) la vitesse de rotation de l'hydrolienne augmentera jusqu'à sa vitesse d'emballement, qui correspond à la vitesse ou le rotor produit un couple nul ou négatif. Pour connaitre cette vitesse d'emballement avec Heliciel, on utilise l'analyse multiple (onglet optimiser) et on lance une analyse multipoint "hors design" avec pour paramètre variant "vitesse de rotation". Ceci produit la courbe de couple en fonction de la variation de vitesse. Nous voyons ici que notre hydrolienne possède une vitesse d'emballement de 37 tours minute environ et que a cette vitesse la poussée sera de 750 000 Newtons environ, espérons que les ingénieurs aient pris en compte ce cas de figure...

• Le point de design est la combinaison vitesse rotation,vitesse fluide pour laquelle le vrillage des pales a été optimisé. Tout autre paramètres de vitesse de rotation ou de fluide produira des rendements inférieurs.

 

• Analyse du risque de cavitation de cette hydrolienne: les pressions affichées dans la zone de résultat sont données pour chaque zones de pales et sont calculées de 3 manière différentes:

• Une pression moyenne , correspondant a la portance repartie sur la totalité de l'extrados ,
• une pression concentrée, calculée suivant la zone entre le point de portance et le bord d'attaque,
• et une pression de traînée calculée d’après la traînée projetée sur le maître couple de l'élément.

Ceci nous permet de distinguer 3 types de cavitation (voir la page cavitation).Le seuil de cavitation est marqué par une ligne rouge. :

• Un autre moyen de visualiser les pression consiste a colorer la pale d’après un code couleur pression, en utilisant la fonction "montrer les pressions..":

C'est la fin de ce petit didacticiel du logiciel de modélisation et calcul héliciel , sur la conception du rotor des hydroliennes, qui devrait vous mettre sur la bonne voie pour créer des hydroliennes ou récupérateur d’énergie embarqués sur des voiliers, par exemple....