FR3137136A1 - Pale d'éolienne ayant une forme d'extrémité optimisée - Google Patents

Pale d'éolienne ayant une forme d'extrémité optimisée Download PDF

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Abstract

L’invention est relative à une pale d'éolienne ayant un profil allant en se rétrécissant le long d'un axe longitudinal xx' depuis une base vers une extrémité. A une distance donnée de l'extrémité, le profil s'élargit de part et d'autre de l'axe xx' pour former une spatule (12) qui se prolonge jusqu'à l'extrémité. Figure pour l’abrégé : Fig. 1A

Description

Pale d'éolienne ayant une forme d'extrémité optimisée
L’invention est relative aux pales d'éoliennes, notamment d'éoliennes dans une gamme entre la petite puissance et la moyenne puissance.
Arrière-plan
Les éoliennes dites "de moyenne puissance" sont destinées à produire une puissance de l'ordre de 500 kW et atteignent une hauteur de l'ordre de 50 m avec un diamètre de rotor du même ordre.
Alors que les éoliennes de grande puissance ont un rotor conçu pour tourner à une vitesse fixe, de l'ordre 21 tours par minute, les rotors d'éoliennes dans une gamme allant jusqu'à la moyenne puissance peuvent tourner à vitesse variable, par exemple de 0 à 150 tours par minute. Pour optimiser le rendement, les pales sont généralement hélicoïdales le long de leur axe longitudinal et, pour les plus grands modèles, les pales ont un pas réglable par un mécanisme logé dans le moyeu.
La vitesse variable des rotors pose des défis quant à l'optimisation des pales sur l'ensemble de la gamme des vitesses.
Résumé
On prévoit de façon générale une pale d'éolienne ayant un profil allant en se rétrécissant le long d'un axe longitudinal xx' depuis une base vers une extrémité. A une distance donnée de l'extrémité, le profil s'élargit de part et d'autre de l'axe xx' pour former une spatule qui se prolonge jusqu'à l'extrémité.
L'extrémité de la pale peut comprendre un aileron orienté dans le sens du vent.
La spatule peut présenter, au niveau du bord de fuite de la pale, une arête rectiligne sensiblement parallèle à l'axe longitudinal xx' de la pale.
La spatule peut présenter, au niveau du bord d'attaque de la pale, une arête curviligne convexe.
La pale peut être hélicoïdale le long de l'axe xx' jusqu'à la spatule et la spatule être généralement plane.
La distance donnée de l'extrémité peut être comprise entre 10 % et 25 % de la longueur utile de la pale.
L'aileron peut être de forme générale triangulaire en projection sur un plan yz perpendiculaire à l'axe xx', et présenter un sommet plus éloigné de l'axe xx' que le bord de fuite de la spatule.
Description sommaire des dessins
Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La représente une vue de face d'un mode de réalisation de pale d'éolienne ;
La représente le profil de la pale à différentes positions le long d'un axe longitudinal xx' de la pale ; et
La représente une vue de côté de la pale.
 Description détaillée
Une pale d'éolienne selon les modes de réalisations décrits ci-après a été conçue dans le contexte d'éoliennes dans une gamme intermédiaire entre la faible puissance et la moyenne puissance, par exemple une éolienne ayant un diamètre de rotor allant de 8 à 32 m et une hauteur correspondante de 20 à 50 m. Dans cette gamme, les vitesses de rotation sont généralement variables de 0 à 150 tours par minute, et les rotors peuvent avoir cinq pales.
Dans ces conditions de vitesse de rotation variable, les profils de pale sont difficiles à optimiser et les pales fournissent dans le cas général un rendement plus faible qu'une pale tournant à une vitesse fixe pour laquelle elle a été optimisée. Cet état des faits est à peine amélioré par la capacité de régler le pas des pales.
Une pale d'éolienne classique, quelle que soit la gamme de puissances et la vitesse de rotation, a généralement un profil qui va en se rétrécissant le long de l'axe longitudinal de la pale en allant de sa base (près du centre du rotor) jusqu'à son extrémité. On appelle "profil" de la pale la forme de sa section transversale aux différents points de l'axe longitudinal. Ce profil est généralement allongé le long d'un axe qui est censé être aligné sur la direction du vent relatif. La forme hélicoïdale de la pale sert à compenser la variation de vitesse angulaire du vent relatif le long de l'axe longitudinal de la pale.
Les inventeurs ont constaté qu'en élargissant de nouveau le profil au niveau de l'extrémité des pales on pouvait améliorer le rendement de façon sensible sur toute la gamme de vitesses de rotation.
Les figures 1A à 1C représentent un mode de réalisation d'une pale selon différentes vues.
La représente une vue de face de la pale, à savoir dans un plan xy correspondant au plan du rotor, qui est en principe perpendiculaire à la direction zz' du vent. L'axe xx' est l'axe longitudinal de la pale. Dans les dessins, pour faciliter la compréhension, le pas de la pale est réglé pour la vitesse de rotation maximale, ce qui positionne le profil de l'extrémité de la pale parallèlement au plan xy.
La , à laquelle on fera référence en même temps, illustre des sections transversales, ou profils de la pale, en différents points de l'axe xx'. Des rayons indicatifs sont reportés en mm sur l'axe xx', et la base de la pale commence au rayon 500.
La pale est montée par sa base, à gauche, dans un moyeu, non représenté, à l'aide d'une partie cylindrique 10. Entre les rayons 500 et 840, le profil n'es pas fonctionnel. Le profil part du rayon 500 d'une section circulaire pour arriver sur sa plus grande largeur fonctionnelle au rayon 840. Le bord d'attaque de la pale (en bas) reste plus près de l'axe xx' que le bord de fuite (en haut). Ces bords sont sensiblement rectilignes.
Comme on le voit à la , le profil au rayon 840 est par exemple en forme de goutte dont le barycentre est centré sur l'axe xx'. La pale étant hélicoïdale, le profil a ici sa plus forte inclinaison, d'environ 30 degrés par rapport au plan xy. La "goutte" peut par ailleurs présenter une partie convexe sous le vent, et une partie concave dans le vent.
Entre les rayons 840 et 4000, le profil se rétrécit continûment, le bord d'attaque restant toujours plus proche de l'axe xx' que le bord de fuite. Comme le montre la , le profil de la pale se redresse progressivement pour devenir parallèle au plan xy au rayon 4000. A un rayon 2400, au centre de la pale, le profil est encore en forme de goutte, tandis qu'au rayon 4000, le profil est aplati, formant une aile dont le creux est tourné vers le vent.
Jusqu'au rayon 4000, le profil est classique. A partir du rayon 4000, selon un mode de réalisation, le profil s'élargit à nouveau de part et d'autre de l'axe xx' pour former une spatule 12 qui se termine à l'extrémité de la pale au rayon 4760. Comme cela est représenté à titre d'exemple, la spatule présente au niveau du bord de fuite de la pale une arête rectiligne sensiblement parallèle à l'axe xx'. Au niveau du bord d'attaque de la pale, la spatule présente une arête curviligne convexe. Ainsi, la spatule ressemble à une main avec le pouce caché sous la paume.
Comme le montre la , l'ensemble de la spatule a un profil aplati d'aile sensiblement parallèle au plan xy. La partie creuse du profil d'aile est tournée vers le vent.
Selon un mode de réalisation, l'extrémité de la spatule est munie d'un aileron 14 orienté dans le sens du vent. Comme le montre la , l'aileron peut être de forme générale triangulaire en projection sur un plan yz perpendiculaire à l'axe xx', et présenter un sommet plus éloigné de l'axe xx' que le bord de fuite de la spatule. Ainsi, la spatule ressemble à une main avec le pouce caché sous la paume et les extrémités des doigts relevés.
La , fournie pour compléter la définition de la pale, est une vue de côté de la pale, à savoir selon l'axe yy'. Dans cette vue on observe que le profil de la pale va en s'amincissant du rayon 840 au rayon 4000. A partir du rayon 4000, à savoir au niveau de la spatule, on observe que le profil présente une épaisseur sensiblement constante, traduisant la planéité de la spatule.
Des dimensions sont indiquées à titre d'exemple sur les figures pour une pale de rotor de 4,76 m de rayon. La longueur de la spatule est ici de 0,76 m sur une longueur utile de la pale de 4,76 - 0,84 = 3,92 m, à savoir que la spatule a une longueur égale à 19,4 % de la longueur utile de la pale. En pratique, la longueur de la spatule peut varier entre 10 et 25 % de la longueur utile de la pale pour bénéficier d'une amélioration sensible du rendement.
Des estimations effectuées avec les dimensions représentées ont révélé une augmentation de 10 % du rendement par rapport à une pale classique qui était en outre plus longue de 33 %.
Il est difficile de montrer avec les outils de simulation actuels les relations des divers éléments de la spatule avec le rendement. On suppose que ces éléments diminuent notamment la turbulence à l'extrémité de la pale. La turbulence diminuant, on diminue aussi le bruit.

Claims (7)

  1. Pale d'éolienne ayant un profil allant en se rétrécissant le long d'un axe longitudinal xx' depuis une base vers une extrémité, caractérisée en ce que le profil, à une distance donnée de l'extrémité, s'élargit de part et d'autre de l'axe xx' pour former une spatule (12) qui se prolonge jusqu'à l'extrémité.
  2. Pale selon la revendication 1, dans laquelle l'extrémité de la pale comprend un aileron (14) orienté dans le sens du vent.
  3. Pale selon la revendication 1, dans laquelle la spatule (12) présente, au niveau du bord de fuite de la pale, une arête rectiligne sensiblement parallèle à l'axe longitudinal xx' de la pale.
  4. Pale selon la revendication 1, dans laquelle la spatule (12) présente, au niveau du bord d'attaque de la pale, une arête curviligne convexe.
  5. Pale selon la revendication 1, dans laquelle la pale est hélicoïdale le long de l'axe xx' jusqu'à la spatule et la spatule est généralement plane.
  6. Pale selon la revendication 1, dans laquelle la distance donnée de l'extrémité est comprise entre 10 % et 25 % de la longueur utile de la pale.
  7. Pale selon la revendication 2, dans laquelle l'aileron (14) est de forme générale triangulaire en projection sur un plan yz perpendiculaire à l'axe xx', et présente un sommet plus éloigné de l'axe xx' que le bord de fuite de la spatule (12).
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