FR2978502A1

FR2978502A1 - Turbine hydraulique a trainee en bout d'aile reduite

Info

Publication number: FR2978502A1
Application number: FR1156768A
Authority: FR
Inventors: Jean-Luc Achard; Thomas Jaquier
Original assignee: Electricite de France SA; Institut Polytechnique de Grenoble
Current assignee: Hydroquest Fr; Electricite de France SA; Institut Polytechnique de Grenoble
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-02-01
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: WO2013014376A1; FR2978502B1

Abstract

L'invention concerne une turbine à flux transverse mue par des forces de portance, TFTMP, solidaire d'un arbre disposé entre deux plateaux liés par un châssis, cette turbine comprenant des pales profilées dont chacune est reliée à l'arbre par au moins un bras, chaque pale étant terminée par une partie évasée dans laquelle l'épaisseur, e, du profil de la pale croît, sa corde, c, restant sensiblement constante, ladite partie évasée s'étendant sur 5 à 10 % (L ) de la longueur (L) d'une demi-pale.

Description

B11141 - B2327 1 TURBINE HYDRAULIQUE À TRAÎNÉE EN BOUT D'AILE RÉDUITE Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbomachine hydraulique, ou hydrolienne, à flux transverse constituée d'au moins une colonne de turbines empilées, chaque turbine étant mue par des forces de portance exercées sur les pales. Exposé de l'art antérieur La demanderesse a déposé un ensemble de demandes de brevet sur des turbomachines hydrauliques fondées sur des turbines à flux transverse mues par des forces de portance, dites TFTMP ci-après, parmi lesquelles on peut mentionner la demande de brevet PCT/FR2008/051917 déposée le 23 octobre 2008 (B8450) et la demande de brevet français 10/59859 (B10341). Chaque type de turbomachine se distingue d'abord, par la nature des TFTMP qu'elle comporte (géométrie et nombre des pales, nature et nombre des liaisons reliant chaque pale à l'axe de rotation). Ainsi les TFTMP décrites dans les demandes de brevet ci-dessus comprennent des pales en forme d'ailes volantes en V à extrémité libre dont la flèche peut varier entre - 45° et 45° et dont la section perpendiculaire à l'axe de rotation a la forme d'un profil d'aile quelconque (biconvexe symétrique ou dissymétrique, creux, ou à double courbure). Chaque pale est reliée au niveau de sa portion centrale à l'arbre d'entraînement B11141 - B2327

2 par un bras rigide lui-même profilé de façon à réduire les forces de traînée qui s'y exercent. Les figures 1A, 1B et 1C sont respectivement des vues en perspective de trois exemples classiques de turbomachines tels que décrits en détail dans les demandes de brevet susmentionnées. La figure 1A représente une tour à colonne unique constituée d'un empilement de modules "châssis-turbine". La figure 1B représente une tour à colonne unique constituée d'un empilement de modules "châssis-turbine", les structures latérales du châssis étant constituées de carénages. La figure 1C représente une tour à colonnes jumelles constituée d'un empilement de modules "châssis-turbine", les structures latérales du châssis étant constituées de carénages et la structure médiane étant constituée d'une étrave masquant partiellement la remontée au courant des deux turbines contra-rotatives ainsi que d'un empennage. Ces turbomachines peuvent différer par le nombre de turbines élémentaires qu'elles comprennent, par leur structure de maintien, par la présence éventuelle de carénages et par le type de connexion avec la ou les génératrices électriques. Ces turbomachines sont constituées d'un ou deux empilements juxtaposés de modules "châssis-turbines", chaque module comprenant : - un châssis 1 assurant la rigidité de l'ensemble comprenant éventuellement, outre des structures latérales de maintien, des carénages, - un plateau supérieur 2 et un plateau inférieur 3 liés au châssis et traversés par un arbre d'entraînement propre à une turbine ou à un empilement, et - une turbine TFTMP 5 insérée entre les deux plateaux 2 et 3. Les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en perspective de trois exemples de turbine TFTMP dans laquelle chaque pale adopte de part et d'autre du bras une forme d'aile volante.

La figure 2A représente une turbine avec pales en flèche positive (ou en arrière) de valeur cf) = 30°.

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3 La figure 2B représente une turbine avec pales en flèche inversée (ou en avant) de valeur cf) = -30°. La figure 2C représente une turbine avec pales droites de flèche nulle (cp = 0).

Dans toutes les TFTMP, les forces de portance qui se développent sur chaque pale sont à l'origine d'un couple moteur qui se transmet via le bras sur l'arbre. L'arbre d'entraînement transmet le mouvement de rotation soit à une génératrice unique associée à chaque colonne, soit à une génératrice associée à chaque turbine. En revanche, les forces de traînée freinent les pales. De façon générale, l'accroissement des performances des turbines TFTMP passe, d'une part, par une recherche de l'augmentation des forces de portance sur les pales, en jouant sur la nature des profils et l'optimisation, voire l'asservissement, de leur angle de calage par exemple, et, d'autre part, par la réduction des forces de traînée sur les pales et les éléments de liaison à l'arbre. De surcroît, la réduction des forces de traînée permet de soulager le système de fondation de la turbomachine dans son ensemble.

Globalement, on peut décomposer les forces de traînée sur une pale d'une TFTMP en plusieurs catégories parmi lesquelles la traînée induite qui se manifeste en bout de pale. Cette force de traînée résulte de l'écart de pression qui existe entre l'intrados (zone de surpression) et l'extrados (zone de dépression dite aussi de succion). Des structures tourbillonnaires dissipatives appelées tourbillons marginaux ou tourbillons de bout de pale (d'aile pour les avions) s'accrochent en bout de pale et leur axe est parallèle au courant incident. Dans le domaine des ailes d'avion et des turbines à flux axial, une solution pour réduire l'intensité de la traînée de bout de pale consiste à prévoir des ailerons ou penne de bout de pale (winglets en anglais). En ce qui concerne les turbomachines à flux axial confinées dans un carter (turbines, propulseurs carénés ou pompes), des études se sont portées sur les écoulements dans la zone de jeu entre les pales ou les aubes du rotor et le carter, B11141 - B2327

4 d'où s'échappe un tourbillon de fuite. Des remèdes pour réduire ces phénomènes ont été proposés. Ils impliquent essentiellement la géométrie du jeu et la forme du bout des pales. Ces remèdes ne peuvent être directement transposés à des TFTMP confinées axialement à cause de plusieurs caractéristiques qui les distinguent des machines axiales (et des ailes d'avion), notamment pour les raisons suivantes. (i) Pour une machine axiale, l'incidence d'une aube ne varie pas. Par contre, l'incidence d'une pale de TFTMP varie tout au long d'une révolution, si bien qu'une face de pale d'une TFTMP qui, dans la région amont, se trouve être en surpression (respectivement en dépression) se trouve aussitôt placée en région aval en dépression (respectivement en surpression). En d'autres termes, on ne peut définir de façon permanente un intrados et un extrados. (ii) Les pales d'une machine axiale ont souvent une corde qui croît radialement en se rapprochant du carter afin de réduire l'écart de pression à leur extrémité. La corde d'une TFTMP gagne en revanche à rester sensiblement constante le long de l'axe de façon à éviter des écoulements secondaires axiaux qui abaisseraient ses performances. En effet le flux incident sur une TFTMP demeure sensiblement uniforme suivant son axe si l'obstruction géométrique qu'opposent les pales au courant incident l'est également. (iii) Les effets de centrifugation du fluide vers le carter, que l'on observe pour une machine axiale carénée, n'ont pas de correspondant vers les plateaux pour une TFTMP. Il existe donc un besoin de solutions pour réduire la traînée de fuite dans une turbine à flux transverse mue par des 30 forces de portance (TFTMP). Résumé Ainsi, un objet de modes de réalisation de la présente invention est de limiter la chute de performances résultant des forces de traînée de bout d'aile dans une TFTMP délimitée par 35 des plateaux supérieur et inférieur.

B11141 - B2327 Un autre objet de modes de réalisation de la présente invention est de réduire les phénomènes de cavitation liés au jeu entre les bouts d'aile et les plateaux supérieur et inférieur. 5 Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une turbine à flux transverse mue par des forces de portance, TFTMP, solidaire d'un arbre disposé entre deux plateaux liés par un châssis, cette turbine comprenant des pales profilées dont chacune est reliée à l'arbre par au moins un bras, chaque pale étant terminée par une partie évasée dans laquelle l'épaisseur, e, du profil de la pale croît, sa corde, c, restant sensiblement constante, ladite partie évasée s'étendant sur 5 à 10 % (Lev) de la longueur (L) d'une demi-pale.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'épaisseur, e, du profil de la pale croît jusqu'à une valeur emax supérieure d'au moins 15 % à e, avec 0,12c < e < 0,25c et emax inférieur à 0,35c. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie évasée se termine par une partie bombée à la fois suivant la ligne moyenne du profil et suivant une ligne perpendiculaire à celle-ci. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie bombée est constituée d'une pièce rapportée fixée à l'extrémité de chaque pale, cette pièce étant réalisée en une matière élastique et déformable. Selon un mode de réalisation de la présente invention, pour chaque pale, la ligne de bord d'attaque est concave et la ligne de bord de fuite convexe sur une zone en extrémité de la pale s'étendant sur 50% au plus de l'envergure d'une demi-pale, la courbure de la pale étant telle que l'angle résultant OE que forme la tangente à la ligne du bord d'attaque à son extrémité avec le plan des plateaux est compris entre 30° et 70°. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la longueur des bras est comprise entre le cinquième et dix fois la longueur d'une demi-pale.

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6 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les extrémités des pales correspondant au moins à la zone d'évasement sont évidées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 les évidements dans les pales sont remplis d'un matériau plus léger que le matériau des pales. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les évidements, du côté de l'extrémité des pales sont bouchés par un élément constituant une partie évasée et une partie 10 bombée d'extrémité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les extrémités évasées des pales sont reliées entre elles par un anneau. Un mode de réalisation de la présente invention 15 prévoit une turbomachine comprenant un empilement de turbines telles que ci-dessus. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 20 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1A, 1B et 1C sont des vues en perspective de trois exemples de turbomachine auxquels pourront être appliqués des modes de réalisation de la présente invention ; 25 les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en perspective de trois exemples de turbines TFTMP auxquels pourront être appliqués des modes de réalisation de la présente invention ; la figure 3A est une vue en perspective d'une demi-pale droite selon un mode de réalisation de la présente inven- 30 tion et la figure 3B est une vue de face de la même pale droite insérée entre un plateau supérieur et un plateau inférieur ; les figures 4A et 4B illustrent une variante de la pale des figures 3A et 3B ; les figures 5A et 5B illustrent un autre mode de 35 réalisation de pale ; B11141 - B2327

7 les figures 6A et 6B illustrent un autre mode de réalisation de pale ; les figures 7A et 7B illustrent un autre mode de réalisation de pale ; les figures 8A et 8B sont une vue perspective et une vue de détail d'un élément de turbine selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 9 est une vue perspective d'un élément de turbine selon un mode de réalisation de la présente invention. 10 Description détaillée La figure 3A est une vue en perspective d'une demi-pale droite 10 montée sur un bras 11, modifiée par rapport à la pale droite classique représentée en figure 2C. La demi-pale 10 a un profil aérodynamique d'aile volante défini en section par 15 une corde c et une épaisseur e. Du côté de son extrémité, sur une longueur Lev, cette demi-pale est évasée, c'est-à-dire que son profil est modifié de sorte que sa corde reste sensiblement constante et que son épaisseur augmente pour atteindre une valeur emax supérieure d'au moins 15 % à e. 20 En pratique, pour des raisons d'aérodynamisme et de rigidité, un profil d'aile est généralement conçu avec une relation entre épaisseur, e, et corde, c, telle que : 0,12c < e < 0,25c. Il convient également, pour ne pas réduire excessivement la 25 portance et pour limiter la traînée régulière, que l'épaisseur au maximum de l'évasement ne soit pas supérieure à un maximum de l'ordre de 0,35c. Des expériences et des simulations menées par les inventeurs ont montré qu'avec une telle disposition, l'écoulement 30 secondaire en bout de pale est réduit. De plus, la cavitation dans la zone de jeu entre l'extrémité de la pale et le plateau voisin diminue. On notera que, si la portance se trouve réduite en bout de pale du fait de cet évasement, elle se trouve en revanche augmentée sur le reste de la pale puisque la partie de 35 la composante tangentielle produite par l'écoulement secondaire a diminué.

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8 La figure 3B est la vue de face de la même pale droite 10 insérée entre un plateau supérieur 2 et un plateau inférieur 3. On rappellera que, même si ces plateaux ne sont pas représentés dans toutes les figures, ils sont toujours présents dans les turbines considérées ici. Les figures 4A et 4B sont des représentations d'une pale 20 liée à un arbre 21 similaire aux représentations des figures 3A et 3B. Les figures 4A et 4B illustrent un perfectionnement selon lequel, en plus de l'évasement en bout de pale, ce bout de pale au lieu d'être coupé droit, orthogonalement à l'axe de la pale, comporte un bombage ou saumon 22. Un tel bombage peut être usiné en bout de pale ou peut être constitué d'un saumon rapporté qui pourra être avantageusement réalisé en matière élastique et déformable, par exemple en polymère. Des expériences et simulations effectuées par les inventeurs ont montré que cette disposition réduit encore les tourbillons en bout de pale et réduit donc la composante de traînée de fuite de plus de 20 %. La figure 5A est une vue en perspective d'une variante de réalisation de pale. Cette pale comprend les améliorations déjà décrites, à savoir un évasement en bout de pale et des extrémités bombées. Par ailleurs, elle présente une flèche positive de valeur cf) = 30° possédant en extrémité de pale un bord d'attaque concave et un bord de fuite convexe, la corde restant sensiblement constante et le rayon de courbure étant défini de façon que l'angle OE que forme la tangente à la ligne du bord d'attaque à son extrémité avec le plan des plateaux soit suffisamment aigu (compris entre 30° et 70°), ici OE = 60°. Le dévers opposé à l'écoulement incident (dit inversé) a deux effets positifs du point de vue de la réduction des effets dissipatifs en bout de pale. Tout d'abord, il tend à empêcher la formation du ou des tourbillons d'arrêt en amont de l'extrémité de pale, en ajustant le bord d'attaque aux lignes du courant incident. Ensuite, il apporte une contribution qui se retranche à l'écoulement secondaire dû à l'écart de pression intrados/extrados à l'origine des tourbillons en bout de pale.

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9 Les figures 6A et 6B sont des vues en perspective respectivement d'une pale 40 avec flèche inversée (cp = - 30°) et d'une pale avec flèche positive (cp = 30°). Dans les deux cas, les bouts de pale sont évasés comme précédemment. Pour la partie restante de la pale (90 % de la hauteur de la demi-pale), on observe un amincissement à partir du plan médian jusqu'à 90 % de la hauteur de la demi-pale pour la pale à flèche inversée et un épaississement à partir du plan médian de la hauteur de la demi-pale pour la pale à flèche positive. Dans les deux cas un but commun est visé concernant l'écoulement sur la partie restante de la pale protégée des effets de bout par l'épaississement final : on cherche à dévier les lignes de courant sur l'extrados de la pale de l'écoulement incident, perpendiculairement vers le bord de fuite. La portance s'en trouve accrue.

Les figures 7A et 7B sont des vues en perspective de deux exemples de réalisation d'évidements de bout de pale d'une TFTMP, ces évidements pouvant être remplis d'un matériau plus léger et/ou fermés par le saumon décrit précédemment ou par l'ensemble saumon + extrémité évasée représenté en figure 7A.

Ces évidements sont adaptés à un fonctionnement soit dans un courant liquide (fonctionnement hydrolien) soit dans un flux d'air (fonctionnement éolien). Dans les deux cas existent des forces centrifuges impliquant des effets de flexion et par voie de conséquence des phénomènes de fatigue le long de l'envergure des pales et en particulier à la jonction bras-pales. Plus particulièrement, en figure 7A, la pale 50 montée sur un bras 51 comprend un corps principal creux 53 emboité dans une saillie 54 solidaire du bras 51. L'ensemble de la partie évasée 55 et de la partie bombée 56 est constitué d'une pièce unique qui vient s'emboîter à l'extrémité du corps 53 opposée au bras 51. Dans le mode de réalisation de la figure 7B, la pale 60 montée sur un bras 61 comprend une partie creuse 63 vers son extrémité et elle s'évase sur sa partie finale Lev. Un saumon, B11141 - B2327

10 non représenté ici, est monté aux extrémités de la pale pour constituer la partie bombée susmentionnée. La figure 8A est une vue en perspective d'une TFTMP à pales droites et la figure 8B est une vue agrandie d'une partie d'extrémité de pale de la structure de la figure 8A. Les extrémités élargies (évasées) 71 de chaque pale 70 sont utilisées pour maintenir un anneau 73 qui relie les extrémités des pales. Chaque anneau a une section sensiblement elliptique, le grand diamètre de l'ellipse se situant sensiblement dans le plan de raccord entre la partie évasée et le saumon. Il est dans cet exemple voisin de 0,7 fois l'épaisseur du profil en bout de pale. Sa fabrication peut être envisagée d'une seule pièce avec l'ensemble des saumons et être rapportée ensuite sur les extrémités de pales.

Dans cet exemple, les effets de flexion dus aux forces centrifuges et de traînée sont tous deux réduits. Les anneaux 73 sont plus particulièrement adaptés à un fonctionnement dans un courant liquide (rivière, fleuve, courant de marée, courants océaniques) pour lequel les forces hydrodynamiques de traînée (orientées au cours d'une révolution de turbine tantôt vers l'intérieur, tantôt vers l'extérieur) d'intensité comparable se combinent ou s'opposent avec les forces centrifuges (forces centrifuges orientées toujours vers l'extérieur). Les effets de flexion dus à ces forces sont réduits et ainsi les effets de fatigue le long de l'envergure des pales et en particulier à la jonction bras-pales sont diminués. La figure 9 est une vue d'un exemple de réalisation d'une TFTMP à pales droites 80 avec un dévers en bout de pale dans laquelle la hauteur rapportée au diamètre (hauteur relative) est 1,5. Les pales sont liées par des bras 81 à un arbre 82. En outre, une ligne de traction (câble, filin, chaîne, profilé, ou autre) anti-flexion relie l'extrémité de chaque pale à l'arbre d'entraînement. Ceci permet de lutter contre les forces centrifuges lorsqu'elles sont particulièrement impor- tantes et en outre prépondérantes vis-à-vis des forces de traînée.

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11 Cette situation se rencontre généralement dans un fonctionnement sous un flux d'air (fonctionnement éolien). D'une part les forces centrifuges y prédominent sur les forces aérodynamiques (portance et traînée) et d'autre part les dimensions des turbines d'éoliennes sont à puissance égale plusieurs fois plus grandes que les turbines d'hydroliennes dans des conditions de vent et de courant typiques. De surcroît les lignes risquent moins d'accrocher des débris dans l'air que sous l'eau.

Claims

REVENDICATIONS1. Turbine à flux transverse mue par des forces de portance, TFTMP, solidaire d'un arbre disposé entre deux plateaux liés par un châssis, cette turbine comprenant des pales profilées dont chacune est reliée à l'arbre par au moins un bras, chaque pale étant terminée par une partie évasée dans la-quelle l'épaisseur, e, du profil de la pale croît, sa corde, c, restant sensiblement constante, ladite partie évasée s'étendant sur 5 à 10 % (Lev) de la longueur (L) d'une demi-pale.
2. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur, e, du profil de la pale croît jusqu'à une valeur emax supérieure d'au moins 15 % à e, avec 0,12c < e < 0,25c et emax inférieur à 0,35c.
3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la partie évasée se termine par une partie bombée (22) à la fois suivant la ligne moyenne du profil et suivant une ligne perpendiculaire à celle-ci.
4. Turbine selon la revendication 3, dans laquelle la partie bombée est constituée d'une pièce rapportée fixée à l'extrémité de chaque pale, cette pièce étant réalisée en une matière élastique et déformable.
5. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle, pour chaque pale, la ligne de bord d'attaque est concave et la ligne de bord de fuite convexe sur une zone en extrémité de la pale s'étendant sur 50% au plus de l'envergure d'une demi-pale, la courbure de la pale étant telle que l'angle résultant a que forme la tangente à la ligne du bord d'attaque à son extrémité avec le plan des plateaux est compris entre 30° et 700.
6. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 5, dans laquelle la longueur des bras est comprise entre le cinquième et dix fois la longueur d'une demi-pale.
7. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les extrémités des pales correspondant au moins à la partie évasée sont évidées.B11141 - B2327 13
8. Turbine selon la revendication 7, dans laquelle les évidements dans les pales sont remplis d'un matériau plus léger que le matériau des pales.
9. Turbine selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les évidements, du côté de l'extrémité des pales sont bouchés par un élément constituant une partie évasée (55) et une partie bombée (56) d'extrémité.
10. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les extrémités évasées des pales sont 10 reliées entre elles par un anneau (73).
11. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, adaptée à un fonctionnement éolien, dans laquelle chaque extrémité de pale est reliée à l'arbre par une ligne de traction. 15
12. Turbomachine comprenant un empilement de turbines selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.