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EOLE (Windows XP, Windows 7)
Logiciel pour la conception et construction
d'hélice et de rotor d'éolienne


" Y'a pas d'hélice, hélas..." se plaignait Augustin Bouvet (Bourvil),
" C'est là qu'est l'os..." répliquait Stanislas Lefort (Louis de Funes) dans le film "La Grande Vadrouille" de Gérard Oury

L'hélice est un dispositif très simple, bien que d'une géométrie très complexe, performant et réversible. Elle permet de transformer une énergie mécanique en force de propulsion mais aussi de transformer un vent rélatif en énergie mécanique.

Le but du logiciel EOLE est de concevoir des hélices aériennes ou des éoliennes. Le travail de conception s’étend du dimensionnement de l’hélice jusqu’au calcul des éléments graphiques qui permettront de réaliser les calibres nécessaires à la construction. EOLE a pour objectif de permettre à l’amateur, sans connaissances particulières sur le sujet, d’effectuer toutes les opérations nécessaire pour obtenir le tracé géométrique complet d’une hélice et pour réaliser les gabarits qui seront nécessaires pour procéder à sa taille ou à la fabrication de moules. L’apparition au niveau amateur de machines d’usinage à commandes numériques est également prise en compte dans la mesure où les données géométriques sont aussi fournies sous forme de fichier .dxf pour alimenter en données les programmes de découpe 2D et de fraisage 3D.

La page d'entrée de EOLE

La page d'entrée de EOLE permet à l'utilisateur de définir les principaux paramètres auxquels l'hélice devra répondre et qui sont :

DEFINITION D'UNE HELICE


La géométrie d'une pale standard est proposée mais peut être modifiée au niveau du pied de pale et du bout de pale, on peu aussi changer la position de la corde maximum le long du rayon de la pale et le centrage de cette corde.



Pied de pale

Bout de pale

Position de la corde maxi sur le rayon de la pale

Centrage de la corde sur l'axe de pale
Valeurs théoriques proposées :
Le logiciel calcule ensuite les caractéristiques générales de l'hélice suivant un modèle théorique. Sur l'exemple choisi précédemment,  la requete est qu'un  avion  propulsé par un moteur fournissant une puissance de 180 ch  à 2500 t/min puisse avoir une vitesse horizontale de l'ordre de 220 km/h. La réponse du logiciel est que l'hélice doit avoir un diamètre de 1.97 m (78") et un pas  de 1.46m (57"), le rendement estimé est de l'ordre de 0.8 et la traction au point fixe de 372 kgf (3649N).

Valeurs choisies par l'utilisateur :
Bien entendu, les dimensions théoriques  sont  proposées à l'utilisateur à titre indicatif. Celui qui a une idée bien arrêtée sur les valeurs du diamètre et du pas de l'hélice qu'il souhaite réaliser, a toute liberté pour entrer ses propres valeurs qui remplaceront les valeurs théoriques pour le reste des opérations.

Projections de la pale

La pale est ensuite tracée suivant trois projections : vue de dessus, vue coté bord d'attaque, vue coté bord de fuite :



Les tracés peuvent être enregistrés sous forme de fichiers .DXF ou imprimés sur papier. 

Si les dimensions de la pale dépassent les dimensions du papier disponible dans l'imprimante, le logiciel découpe le dessin en plusieurs motifs qui seront chacun imprimés sur une feuille. Il suffira ensuite de coller les feuilles entre elles en s'aidant des repères imprimés à cet effet. Par exemple une pale de 900mm de rayon sera imprimée sur 4 feuilles A4 en mode paysage. 


Le logiciel découpe le motif du dessin en autant de parties que necessaire qui sont imprimées sur une feuille A4. Il suffit ensuite de réassembler les différentes feuilles entre-elles

Ajustage de 2 feuille A4 au moyen des repères de positionnement

Calcul des sections de pale

Après avoir choisi dans la bibliothèque de profils ( fournie avec le logiciel)  le profil aérodynamique de la pale, les différentes sections de la pale situées aux endroits marqués par des tirets verts peuvent être calculés en tenant comptes des différents paramètres introduits lors de la définition de l'hélice. Sur l'exemple ci-dessous le profil est un Clark Y


Ensemble des sections de la pales au niveau des repère prédéfinis

Les dessins de ces sections de pales peuvent être enregistrés en .DXF ou imprimés sur papier.

Un autre option,  offerte pour ceux qui maîtrisent l'usinage par fraiseuse à commande numérique, est la création de fichiers dxf de données 3D décrivant l'intrados et l'extrados de la pale.


Visualisation 3D sous Autocad de la pale : extrados à gauche, intrados à droite



Calculer les gabarits

Ce sont des contre-formes des profils des sections de pale qui permettent de réaliser des gabarits utiles au contrôle du travail lors de la taille de l'hélice.


Visualisations des gabarits d'intrados et d'extrados au niveau des sections prédéfinies

Assemblés entre eux, les gabarits permettent de constituer la structure d'un moule.



Calcul des développés

Cette fonction est orienté vers la fabrication de moules sans faire appel à l'usinage 3D. Elle s'appuie sur des gabarits recouverts par des feuilles dont la géométrie correspond aux surfaces développées de l'intrados et de l'extrados et dans lesquelles l'évolution du profil le long du rayon de la pale est prise en compte. Elle fait apparaître sur l'écran les surfaces développées de l'intrados et de l'extrados.



Ces surfaces seront découpées dans des feuilles minces et souples éventuellement déformable à chaud (genre PVC) qui seront collées sur les blocs de gabarits.





Exemple d'étude : une turbine pour moteur électrique (turbofan)

On dispose d'un moteur délivrant une puissance de 368W (0.5ch) à 25000 t/mn et une turbine susceptible de fournir une poussée jusqu'à 150 km/h. La vitesse maximum de l'avion propulsé par cette turbine sera fonction des qualités aérodynamiques de sa cellule. Le moyeu de la turbine aura 20 mm de diamètre, le trous de l'axe central  5mm de diamètre. Le diamètre du rotor doit être inférieur à 100mm.



Un turbine composée de 6 pale permet d'avoir un diamètre de rotor de 91mm et, dans ce cas, la poussée initiale est de 13N (1 kgf)







Visualisation 3D sous Autocad des fichiers dxf d'intradox et d'extrados

DEFINITION D'UNE EOLIENNE

La conception de pales d'éolienne est tout à fait symétrique à ce qui a été décrit dans le cas de l'hélice. En fait ce ne sont que les première données  qui vont changer de sens

·         Il ne s'agit plus de la vitesse relative de l'avion par rapport à la masse d'air, mais de la vitesse relative du vent par rapport au sol. Dans le cas d'une éolienne, cette vitesse est généralement comprise entre 10 et 30 km/h. Elle est évaluée comme la vitesse moyenne observée sur le site sur lequel l'éolienne sera implantée.

·          Il s'agit de la puissance mécanique que l'on souhaite recueillir sur l'arbre du rotor. Si par exemple on couple l'arbre avec une génératrice électrique, la puissance électrique sera égale à la puissance mécanique multipliée par le rendement de la génératrice (rappel 1ch=736W).

·      La vitesse de rotation du rotor. Cette dernière sera fonction des types d'accessoires qui seront couplés à l'arbre de l'éolienne et aussi de l'acceptabilité du niveau de bruit acoustique généré par la rotation des pales.

On remarque que pour un vent de 10 km/h, une vitesse de rotation de 300 t/min (soit 5t/s ou 5 Hz) et une puissance mécanique de 1 ch (736 W), le diamètre d'une éolienne bipale est de plus de 3m. ce qui rend la construction des pales et du mât relativement difficile et encombrante au niveau amateur.

Cependant l'augmentation du nombre de pales permet de réduire sensiblement le diamètre du rotor et le bruit acoustique généré. Ainsi, la même éolienne composée de 6 pales et présentant les mêmes caractéristique aura un diamètre de moins de 2m ce qui apparaît plus raisonnable compte tenu de la vitesse de rotation.

 Suivant l'utilisation de l'énergie mécanique envisagée, l'instabilité de la vitesse du vent et par conséquent de la vitesse de rotation du rotor peut constituer un élément de difficulté supplémentaire.

  •         Si l'on souhaite obtenir directement un courant alternatif à peu près stabilisé, il sera nécessaire de monter entre l'arbre et la génératrice un multiplicateur à pignons ou courroies crantées permettant de multiplier par 10 la vitesse de rotation (5 Hz x10=50Hz) de la génératrice. Il peut s'avérer utile de placer un système d'embrayage (centrifuge par exemple) entre le rotor et la génératrice de manière à n'accoupler les deux éléments que lorque le rotor à atteint une vitesse de rotation suffisante afin que son moment d'inertie permette de vaincre le couple résistant de la génératrice. Il faudra aussi équiper le rotor d'un régulateur de vitesse qui asservisse le pas à la vitesse du vent afin d'obtenir une vitesse de rotation à peu près stabilisée. Une régulation mécanique du pas des pales peut être obtenue par un régulateur centrifuge (dit "à boules") de Watt qui constitue un bon candidat pour réaliser avec des moyens technologiques limités un asservissement simple et fiable. Le reste de la stabilisation en amplitude et fréquence du courant sera confié à une régulation électronique de puissance. .

Le régulateur mécanique centrifuge de Watt permet de modifier l'incidence des pales en fonction
de 
la vitesse de rotation de l'arbre

 

  •          Par contre si l'on souhaite utiliser cette puissance pour charger des batteries d'accumulateurs, on peut se contenter d'une éolienne à pas fixe. Dans ce cas, la génératrice sera accouplée à un pont redresseur à diodes et à un filtre RC pour délivrer du courant continu. Ce dernier chargera les accus qui joueront le rôle de source stabilisée en courant. Un onduleur alimenté par les accus peut ensuite fournir un courant alternatif stabilisé en tension et fréquence.

 

Optimisation de l'angle d'incidence des pales avec CFD (cette option nécessite l'usage de CFD)
Le profilage de la section des pales de l'hélice ou de l'éolienne à pour but de réduire au maximum la trainée offerte par la rotation de cette dernière. La trainée de la pale engendre un couple résitant qui s'oppose au couple moteur et diminue ainsi les performances et le rendement. Par ailleurs la portance créée par le profil de la pale s'ajoute à la force de traction engendrée par la géométrie hélicoïdale (effet de vis). Le calage du profil  doit donc être choisi  à l'incidence de finesse maximum du profil. Cette valeur peut être déterminées avec CFD

Le calage de la pale proposé par défaut à une valeur de 1° dans la page de définition de l'hélice (mais peut etre modifié). Cette valeur est une valeur moyenne qui est acceptable pour la majorité des profils. Au demeurant, l'objectif est d'avoir une pale d'hélice dont la finesse est maximum. Il est donc préférable que cet angle d'attaque corresponde au mieux à l'angle de finesse maximum (Cz/Cx maxi).

A ce niveau, l'utilisation de CFD peut s'avérer intéressante pour déterminer, en fonction du profil de pale, la meilleure valeur de l'angle de calage.

En cliquant sur la commande  Optimisation du calage  on fait apparaître la fenêtre ci-dessous :

Dans laquelle sont indiquées en rouge le nom du profil, la corde maximum de la pale et la vitesse de cette corde lorsque l'hélice tourne à 2500 t/min.

 A partir de ces données, on lance en parallèle CFD pour calculer la polaire du profil ck04.pro (Clark Y) de la pale avec une corde de 153.4 mm et une vitesse linéaire de 129.5 m/s dans notre exemple.

En revenant sur la fenêtre d'optimisation de Eole, on ouvre le fichier polaire du profil de pale et on clique ensuite sur la commande Rechercher l'angle de calage optimum

Dans le tableau central apparaissent les valeurs de la finesse de l'hélice en fonction de l'angle d'incidence et en particulier la valeur  qui correspond à l'angle de calage optimum de la pale. Dans l'exemple ci-dessus cet angle vaut 2.5°. En appuyant sur la commande Calculer les paramètres du moteur en charge on fait apparaître un certain nombre de données qui caractérisent l'influence  des propriétés aérodynamiques de l'hélice.

 On note en particulier la puissance motrice absorbée par la trainée de l'hélice (9.3 ch) ainsi que la chute de régime engendrée par cette trainée (129 t/min). Ceci indique donc que, pour avoir une puissance moteur effective de 180 ch à 2500 t/min, il faut qu'à vide le moteur puisse délivrer 189.3 ch à 2629 t/min.

A partir de là, on peut retourner à la page principale d'Eole et modifier la valeur par défaut de l'angle de calage de la pale en remplaçant 1° par 2.5° pour que le nouvel angle de calage soit pris en compte dans le calcul de la géométrie de la pale d'hélice.