FR2986501A1 - Reducteur de turbulences d'extremite d'aile et de fluctuations de puissance de pale - Google Patents

Abstract

Dispositif d'extrémité d'aile ou de pale d'éolienne ou d'hydrolienne permettant pour une éolienne une nette diminution des fluctuations de puissance à moins de 1% et de réduire sensiblement le flux turbulent, tourbillons marginaux dits vortex des ailes comme celles des avions.

Description

REDUCTEUR DE TURBULENCES D'EXTREMITE D'AILE ET DE FLUCTUATIONS DE PUISSANCE DE PALE. Fondamentalement, un avion vole en équilibrant 2 forces la force horizontale par la traction/propulsion de réacteur(s) ou d'hélice(s) qui équilibre la traînée et la force verticale, par la portance des ailes qui équilibre le poids. Le dessus du profil de l'aile de forme convexe, dans son déplacement bord d'attaque vers bord de fuite au vent relatif, se nomme extrados, le fluide s'accélère et devient dépressionnaire, quant au dessous de l'aile, l'intrados, souvent de forme plane, provoque une surpression due à la pression dynamique.

On sait par ailleurs que l'air a toujours tendance à s'écouler d'une zone de haute pression vers une zone de basse pression. L'air en surpression aux extrémités des ailes tend à s'écouler de l'intrados vers l'extrados en contournant les bouts 20 d'ailes et en créant deux tourbillons appelés tourbillons marginaux ou vortex, résultat de la portance des ailes nommés traînée induite. Vu de l'arrière, le tourbillon marginal de l'aile gauche 25 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et celui de l'aile droite en sens inverse et il faut savoir aussi que la pression régnant sur l'extrados étant inférieure à la pression locale, un courant dévie la trajectoire des filets d'air vers le fuselage et à l'intrados la trajectoire des filets d'air est 30 déviée vers l'extrémité de l'aile et Lorsque ces filets d'air s'entrecroisent le long du bord de fuite ils produisent une nappe de petits tourbillons appelés "tourbillons élémentaires" qui rejoignent la traînée totale à l'arrière de l'avion. 35 L'énergie propre de ces mouvements secondaires est nécessairement empruntée à celle de l'écoulement général, tout se passe comme si une traînée supplémentaire, appelée traînée induite, agissait sur l'avion car les tourbillons élémentaires induisent dans l'écoulement d'air une composante verticale de 40 vitesse dirigée vers le bas et celle-ci provoque une déflexion de l'écoulement vers le bas (downwash) et par suite, l'angle réel d'incidence diminue d'un angle généralement faible, la portance, elle, présente donc une composante verticale qui assure la sustentation de l'aile et une composante horizontale, la traînée induite, qui n'est pas forcément négligeable et qui s'ajoute à celle d'un écoulement bidimensionnel.

La traînée induite augmente au prorata du vortex de bout d'aile et des mini-vortex de bord de fuite, elle est proportionnelle à la différence des pressions qui leur donnent naissance et elle augmente donc avec la portance, et par conséquent avec le poids de l'avion, comparaison faite entre un Airbus A320 et un airbus A380 par exemple et l'expérience montre également qu'elle est inversement proportionnelle à l'allongement de l'aile et au carré de la vitesse : Di = K / V2 d'autant plus grande que la vitesse est faible et que l'allongement de l'aile est faible. Allongement = Envergure/Profondeur moyenne)soit = b/Cm ou b2/S. Le fait qu'elle augmente avec le poids de l'avion et avec une diminution de la vitesse, explique le danger qu'il y a pour un avion léger d'atterrir ou de décoller dans le sillage d'un gros 20 porteur et il existe trois catégories de turbulences de sillage, définies en fonction de la masse maximum de l'avion: L (Light): jusqu'à 7 tonnes, M (Medium) : plus de 7 tonnes et moins de 136 tonnes, H (Heavy) : 136 tonnes et plus. 25 Certaines précautions doivent être prises avec un gros porteur, soit quand on le suit soit quand on le croise derrière: Au décollage: en l'absence de vent, la turbulence subsiste sur la piste et ne se dissipe que lentement et il faut attendre au moins 3 minutes avant de décoller et au vent transversier la 30 turbulence est entraînée hors piste et l'attente réduite. Après le décollage: il est d'intérêt à prendre une trajectoire différente de l'avion qui précède, en tenant compte de la direction du vent. A l'atterrissage: connaître la situation des turbulences avec de 35 nouveaux moyens comme le Lidar, sorte de détecteur de vortex au sol, pour définir une pente d'approche et un point d'atterrissage dans une zone favorable. Nous connaissons mieux maintenant l'intensité et le danger 40 que représentent ces tourbillons marginaux dits vortex et la nécessité de s'en éloigner pour une plus grande sécurité et à ce problème majeur se greffent des conséquences à court, moyen et long terme car comme nous le savons les conséquences à court terme sont le danger que provoque immédiatement les avions dans leur sillage, à moyen terme, au coût du temps avant et après décollage de l'aéroport et des hippodromes, sorte de salle d'attente avant d'atterrir et à long terme à la fatigue et l'usure de ce qu'il provoque, donc, pour palier à cela on fixe en bout d'ailes toutes sortes de dispositifs ce qui ajoute un poids non négligeable à l'intérieur de l'extrémité de l'aile pour maintenir ces dispositifs comme les winglets, les blended winglets, les sharklets winglets ou les winglets fence pour ne pas qu'ils ne provoquent de vibrations ou plus dramatiquement du flutter, ce qui provoquerait la rupture de l'aile, sans pour autant apporter de véritables solutions et à ce propos, l'agence France Presse vient d'informer fin janvier 2012 que tous les avions A 380 devaient être révisés pour cause de formations de criques dans et sur les ailes dont les extrémités sont équipées de winglets fence (en forme de flèche) et cette récente information vient à point nommé pour tous ces appendices verticaux qui fatiguent et affectent directement l'aile et activent des vibrations dès qu'une vitesse au vent relatif est créée soit par erreur ou pas, quant au flutter explosif d'extrémités d'ailes, aucun avion n'est à l'abri au dépassement de la vitesse critique.

Il faut savoir que les vibrations sont des mouvements oscillatoires autour d'une position moyenne qui se caractérisent principalement par l'amplitude et la fréquence ou le nombre d'oscillations par seconde et les principales origines de ces vibrations sont le fonctionnement des propulseurs, les forces aérodynamiques horizontales et verticales et le nombre de Mach comme l'ont su malheureusement par expérience les pionniers pilotes avec leurs premiers avions très rapides de l'époque.

En effet, comme ils ignoraient les vitesses critiques de leur avion, ils n'avaient pas le temps de se demander pourquoi leur avion vibrait et se désintégrait, ce n'est qu'à force repetita d'éviter la destruction de leurs appareils qu'ils renforcèrent d'abord la structure puis la rigidité des matériaux et comprendre ce phénomène de flutter qu'après maintes recherches sur la mécanique des fluides.

Les tests effectués à la NASA depuis 1983 sur le flutter des ailes d'un Boeing équipées d'extrémités d'ailes verticales winglets montrent clairement les vibrations et le flutter de ses extrémités d'aile à certaines vitesses, dès lors, à la conception de l'avion, les ingénieurs repoussent au maximum ce flutter en augmentant la rigidité de certaines parties de l'appareil ce qui n'empêche toujours pas l'existence d'une vitesse critique et le coût de la transformation supplémentaire.

Un avion, quelle que soit sa construction, subit des efforts en vol, mais aussi au niveau du sol (lors des roulages ou des atterrissages et des freinages)et de ces efforts résultent des déformations et ces déformations vont provoquer des contraintes qui, en vol, déforment la voilure longitudinalement (flexion du longeron) et transversalement par torsion ou vrillage (nervures et revêtement) or, lorsque la vitesse de l'écoulement de l'air augmente autour d'une aile, la fréquence des mouvements de torsion diminue mais celle des mouvements de flexion augmente.

Il en résulte une vitesse, appelée vitesse critique ou VNE -VELOCITY NEVER EXCEED, pour laquelle ces deux fréquences sont en phase et provoquent des phénomènes de résonance et en mécanique, la résonance est un phénomène d'auto amplification conduisant à la rupture qui va provoquer l'amplification des mouvements de flexion et de torsion en un phénomène appelé flutter, qui, s'il se prolonge plus de quelques secondes à quelques dizaines de secondes conduit à la destruction explosive de l'aile ou d'une partie aérodynamique de l'avion.

Le flutter explosif survient pour un nombre de Mach spécifique à chaque avion lorsque les diverses vibrations subies par la structure entrent en résonnance, vibrations simultanées et de même fréquence et en utilisation générale de son aéronef, le pilote s'efforcera de limiter les contraintes sur son avion pour ne pas quitter la phase de déformation élastique et ne pas engendrer le phénomène flutter qui aboutirait à la rupture, donc, pour éviter ce phénomène lors de la conception de l'avion, les ingénieurs repoussent au maximum le flutter en augmentant la rigidité de certaines parties de l'appareil en prenant garde qu'il existe toujours bien sûr une vitesse critique et pour palier à cela, ils équipent l'aile avec des extrémités en forme arrondie appelée couramment en aéronautique saumon d'aile, ce qui peut diminuer la résonance de celle-ci.

Le brevet antérieur Français d'enregistrement national N°0104998 publication N°FR2823541, PCT N°WO 02/083497 Al, et US N°0195461 Al ainsi que le brevet national N°0802599 publication FR2931215, PCT/FR2009/000547 priorité 14.05.2008 du demandeur décrivait un dispositif d'extrémité d'un profil d'aile ou plus io généralement d'un élément comportant un intrados et un extrados et ce dispositif avait pour objet d'augmenter la portance, réduire la traînée induite et le vortex de manière significative. 15 Ces brevets précités exposaient que ce dispositif pouvait s'appliquer aux ailes d'avions et leur apporter de nombreux avantages ainsi qu'aux pales de toutes sortes comme les hélices propulsées telles que les pales d'éoliennes ou d'hydroliennes en permettant ainsi de produire plus d'énergie et apporter une 20 solution à cette turbulence créée par le dépassement des vitesses incompressibles dans le fluide gazeux et à cette cavitation créée au dépassement d'une certaine vitesse dans le fluide liquide. 25 Et c'est sur le thème de la fluctuation que les derniers essais de l'invention précitée du 14.05.2008 ont permis de mettre en évidence en laboratoire que les fluctuations sur ce dispositif étaient réduites à moins de 1% de la valeur de la puissance. 30 Ce résultat explique que le fluide liquide ou gazeux dans sa course et toujours par effet COANDA, en continuité de l'aile ou de la pale et par sa vitesse « se colle » et s'accélère par sa convexité sur toute la courbe du bord d'attaque du saumon (4) 35 et se dirige, guidé par cet effet, vers le bord de fuite du saumon (5) et à une certaine distance (FIG 2-3-4) vers l'intérieur du cylindre sans un flux turbulent réactif majeur. Selon l'invention précitée du 14.05.2008 qui confirmait 40 positivement le changement notable de l'écoulement aux vitesses compressibles par la création, à l'extrémité de l'aile ou de la pale, d'un bord d'attaque en forme de saumon où le bord de fuite de celui-ci s'arrêtait à l'entrée du cylindre (3) et afin de conserver cet effet COANDA il doit suivre une règle d'écoulement à toutes les vitesses utilisées (FIG 2-3-4), ce qui amène à corriger les distances où se termine le bord de fuite du saumon (5) dans le cylindre, distances correspondantes aux vitesses maxima utilisées soit par l'avion, l'éolienne, l'hydrolienne, la formule 1, le bateau ou encore le sous-marin, de façon à réduire efficacement les fluctuations d'une pale ou d'une aile.

En bref, pour les pales d'une éolienne ces gains se traduisent par une diminution des fluctuations de puissance à moins de 1%,et tout ce qui en découle comme une très faible usure mécanique de toutes pièces en mouvement ainsi qu'un meilleur comportement de toute la machine tant au départ qu'en continu, un meilleur comportement approchant la vitesse critique ou VNE, un gain supérieur en puissance à la vitesse standard, une structure moins solicitée apportant longévité à l'aile ou la pale, une distance en forme de saumon provoquant un effet COANDA partant de la courbe du bord d'attaque (4) au bord de fuite (5) vers l'entrée du cylindre (3) adaptée aux multiples vitesses désirées par le constructeur (voir exemple FIG 2-3-4). A l'installation et pour qu'il apporte toute son efficacité il est préférable pour rendre l'aile ou la pale plus légère que ce dispositif soit fabriqué avec du carbone, titane ou autres matériaux similaires pour permettre d'obtenir un très bon rapport poids, volume, solidité, un positionnement précis et facile d'accès à l'emplacement des feux de navigation (10) d'extrémités d'ailes situés dans la courbe intérieure du saumon, tangente du bord d'attaque, les rendant très visibles à la navigation à cet endroit (FIG 5), et permet de surcroît dans ce volume intérieur libre d'y adapter un système di-icing ou antigivre (12) et à tous les endroits sensibles au givrage ainsi que les bords d'attaque du cylindre (11).40 Nomenclature des dessins et figures : 1 - 2 - 3 - 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 25 30 35 40 Ensemble du dispositif aile ou pale entrée cylindroïde - bord d'attaque du saumon - bord de fuite du saumon - bord d'attaque cylindre - bord de fuite cylindre - fente(s) hélicoïdale(s) - Interface - emplacement feux de navigation - bords d'attaque saumon, cylindre et fente(s) - emplacement di-icing ou anti givre - exemple 1 bord de fuite saumon - exemple 2 bord de fuite saumon - exemple 3 bord de fuite saumon 8

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1- Dispositif d'extrémité d'aile, de pale, de pale d'éolienne ou d'hydrolienne permettant, dans son déplacement dans le fluide liquide ou gazeux, de créer une dépression et d'entraîner dans son mouvement le vortex, dès sa création, vers l'entrée du cylindre (3), ce qui réduit sensiblement, par effet COANDA, le flux turbulent ou tourbillons marginaux dits vortex, caractérisé en ce que ledit dispositif est équipé d'un saumon dont la profondeur, commençant du bord d'attaque (4) vers le bord de fuite (5), est adaptée suivant les fluides dans lesquels il se déplace, aux vitesses normales (FIG
2. 2), aux vitesses moyennes (FIG
3. 3) ou aux vitesses rapides (FIG
4. 4) depuis l'entrée du cylindre (3) vers le bord de fuite de ce cylindre (7). 2- Dispositif (FIG
5. 5) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut être équipé de feux de navigation d'extrémités d'ailes situés à un emplacement prévu à cet effet et facile d'accès dans la courbe intérieure du saumon, tangente du bord d'attaque les rendant très visibles à la navigation à cet endroit (10) pour qu'ils apportent toute leur efficacité il est préférable pour rendre l'aile ou la pale plus légère que ce dispositif soit fabriqué avec du carbone , titane ou autres matériaux similaires, grâce au très bon rapport poids, volume et solidité. 3- Dispositif (FIG
6. 6) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut être équipé de di-icing ou anti-givre à l'intérieur du saumon du dispositif, sur le bord d'attaque de l'entrée du cylindre et sur le ou les bords d'attaque de la ou des fente (s) hélicoïdale (s) (11 et 12).35