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Aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes et meacutethodes du controcircle
des vibrations
Adrian ILINCA ProfesseurDirecteur Laboratoire de recherche en eacutenergie eacuteolienne
Universiteacute du Queacutebec agrave Rimouskiadrian_ilincauqarca
2
Plan de la preacutesentation
Concepts geacuteneacuteraux Aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes
Theacuteorie du disque et limite de Betz Theacuteorie du disque avec rotation du sillage Aeacuterodynamique des profils Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale (BEM) Forme optimale de la pale Courbe de puissance de la turbine eacuteolienne
Survol des meacutethodes de controcircle de la vibration des turbines eacuteoliennes
ConclusionNovembre 2021
3
Theacuteories aeacuterodynamiques
Theacuteorie du disque Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
Novembre 2021
4
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Image globale de la captation de lrsquoeacutenergie cineacutetique par le disque du rotor
Hypothegraveses Pas de frottement Eacutecoulement homogegravene incompressible stationnaire Nombre infini de pales (disque laquo plein raquo) Pousseacutee uniforme sur la surface du disque Sillage sans rotation Pressions statiques en amont et en aval du disque
eacutegales agrave la pression atmospheacuterique normaleNovembre 2021
5
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Calcul de la pousseacutee sur le disque Conservation de la quantiteacute de mouvement
Diffeacuterence de pression et Bernoulli
( ) ( )4411 AUUAUUT ρρ minus=
( )41 UUmT minus=
( ) ( )24
212322 2
1 UUAppAT minus=minus= ρ
Novembre 2021
6
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Facteur drsquoinduction axiale a
( )4132 21 UUUU +==
( )1
12
UUUa minus
=
( )aUUU minus== 1132 ( )aUU 2114 minus=
Novembre 2021
7
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Calcul de la puissance comme la diffeacuterence entre lrsquoeacutenergie cineacutetique du vent avant et apregraves le disque du rotor
( ) 224
2122
1 UUUAP minus= ρ
( )2312 14
21 aaUAP minussdot= ρ
Novembre 2021
8
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Coefficient de puissance
La limite de Betz (pour a=13)
max
16 059327Pc = =
( )2312
14
21 aa
UA
PcP minus==ρ
Novembre 2021
9
Theacuteorie du disque et limite de Betz
Calcul de la pousseacutee
( )[ ]aaUAT minus= 1421 2
12ρ
( )aaUA
TcT minus== 14
21 2
12ρ
Novembre 2021
10
Theacuteorie du disque et limite de Betz
La limite de Betz repreacutesente la limite theacuteorique du coefficient de puissance du rotor
En pratique cette limite nrsquoest jamais atteinte agrave cause des pertes suivantes La rotation du sillage en arriegravere du rotor Nombre fini de pales et pertes associeacutees en bout de pale Traicircneacutee aeacuterodynamique non-nulle
Pmeacutecaniquerotor
total cUA
P ηρ
η ==3122
1
Novembre 2021
11
Theacuteorie du disque avec rotation du sillage
Illustration du tube de courant en consideacuterant la rotation du sillage
Novembre 2021
12
Theacuteorie du disque avec rotation du sillage
Vitesse de rotation du rotor Ω et vitesse de rotation du sillage ω Facteur drsquoinduction angulaire
Ω=
2 ωa
Novembre 2021
13
Theacuteorie du disque avec rotation du sillage
Le calcul de la pousseacutee agrave travers le disque peut se faire en consideacuterant la quantiteacute de mouvement de rotation geacuteneacutereacutee par les pales du disque
Relation entre le facteur drsquoinduction axiale a et le facteur drsquoinduction angulaire arsquo (λr ndash ratio local des vitesses)
( ) ( )[ ] ( ) rdrraardrrdAppdT πρπωωρ 2211422
1 22232 sdotΩ+=sdot+Ω=minus=
( ) rdrUaadT πρ 22114 2
1 sdotminus=
( )( )
22
1
22
11
rUr
aaaa λ=Ω
=+minus
Novembre 2021
14
Theacuteorie du disque avec rotation du sillage
Ratio global des vitesses pour le rotor
Calcul de la puissance et du coefficient de puissance en fonction des coefficients drsquoinduction axiale et angulaire
URΩ
=λ
( ) rr daaUAdP λλλ
ρ
minus= 3
2312 18
21
( ) rrP daac λλλ
λ
int minus=0
32 18
Novembre 2021
15
Theacuteorie du disque avec rotation du sillage
Le calcul de la puissance par lrsquointeacutegration de la relation preacuteceacutedente demande de relier les variables a arsquo et λr
Les valeurs maximales theacuteoriques du coefficient de puissance et les coefficients drsquoinduction
Novembre 2021
16
Les profils aeacuterodynamiques
Caracteacuteristiques geacuteomeacutetriques des profils aeacuterodynamiques
Novembre 2021
17
Les profils aeacuterodynamiques
Variation du profil aeacuterodynamique au long de la pale
Novembre 2021
18
Les profils aeacuterodynamiques
Forces (portance et traicircneacutee) et moments (de tangage) sur les profils aeacuterodynamiques
Novembre 2021
19
Les profils aeacuterodynamiques
Caracteacuteristiques adimensionnelles de lrsquoeacutecoulement et coefficients aeacuterodynamiques
Nombre de Reynolds
Coefficient de portance
Coefficient de traicircneacutee
Coefficient du moment (de tangage)
cUl
LcL
sdot=
2
21 ρ
microρ
νULUL
==Re
cUl
DcD
sdot=
2
21 ρ
AcU
McM
sdot=
2
21 ρ
Novembre 2021
20
Caracteacuteristiques aeacuterodynamiques du profil de la pale
Coefficient de portance cL et coefficient de traicircneacutee cD Deacutecrochage aeacuterodynamique (voir film)
Novembre 2021
Fig 1 ndash Division de la pale suivant la theacuteorie des coupes
21
Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
La pale est diviseacutee en une seacuterie drsquoeacuteleacutements (profils aeacuterodynamiques) que nous consideacuterons qursquoils fonctionnent indeacutependamment les uns des autres
Novembre 2021
22
Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
Caracteacuteristiques de la pale Les profils aeacuterodynamiques La longueur de la pale La distribution de la largeur de
corde de la pale La distribution du laquo twist raquo de la
pale
Novembre 2021
23
Angle drsquoattaque αAngle de pitch β
portance
traicircneacuteevent
Vitesse delrsquoeacuteleacutement
β
Fig 2 - Illustration des diffeacuterentes donneacutees
Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
Vitesses et forces sur lrsquoeacuteleacutement de pale
( )( ) ( )1
11
1tana
aaraU
r +minus
=+Ωminus
=λ
ϕ
Novembre 2021
24
Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
Calcul du couple (torque) geacuteneacutereacute par lrsquoeacuteleacutement de pale
Le couple (torque) total de la pale
BcdrCCrVdT dlr )cossin(21 2 φφρ minustimes=
int=R
dTT0
Novembre 2021
25
Forme ideacuteale de la pale sans rotation du sillage
Pas de rotation du sillage arsquo=0 Pas de traicircneacutee cd=0 Pas de pertes dues au nombre fini de pales Condition optimale de Betz ndash a=13 agrave chaque r
Novembre 2021
26
Forme ideacuteale de la pale dans des conditions geacuteneacuterales
Systegravemes drsquoeacutequations ayant comme inconnues a arsquo et ϕ dont les eacutequations proviennent de Theacuteorie du disque (quantiteacute de mouvement et quantiteacute
de mouvement de rotation) Theacuteorie de lrsquoeacuteleacutement de pale
Meacutethode de reacutesolution graphique (possibiliteacute de solutions multiples) ou iteacuterative (recommandeacutee)
Novembre 2021
Effet de la traicircneacutee et du nombre de pales
Effet du nombre de pales Effet de la traicircneacutee
27Novembre 2021
28
Recherche et deacuteveloppement en aeacuterodynamique des pales
CFD ndash (Computational Fluid Dynamics) pour lrsquooptimisation des profils et le controcircle du deacutecrochage aeacuterodynamique
Dispositifs de controcircle du deacutecrochage (geacuteneacuterateurs de vortex installeacutes sur la pale afin de retarder le deacutecrochage agrave faible vitesses)
Novembre 2021
29
Performances aeacuterodynamiques de lrsquoeacuteolienne
Construction de la courbe de puissance theacuteorique ndash deacutependance de la puissance produite en fonction de la vitesse du vent
BcdrCCrVdT dlr )cossin(21 2 φφρ minustimes=
0
R
P rdT= int
Novembre 2021
30
Performances de lrsquoeacuteolienne
Facteurs qui influencent la courbe de puissance La geacuteomeacutetrie de la pale dans
le plan (longueur largeur distribution du torsion de la pale)
Lrsquoangle de pitch de la pale La vitesse de rotation
Exemple de reacutesultats pour la turbine PGI
Novembre 2021
31
Courbes theacuteoriques pour la turbine PGI de 35kW
Courbe de puissance agrave 40 rmp
0
1
2
3
4
5
6
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Vitesse du vent
Puis
sanc
e eacutel
ectri
que
Pitch=6Pitch=8Pitch=10Pitch=4
Courbe de puissance agrave 80 rmp
-505
1015202530354045
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Vitesse du vent
Puis
sanc
e eacutel
ectri
que
Pitch=0Pitch=2Pitch=4Pitch=6Pitch=8Pitch=10
Courbe de puissance agrave 60 rmp
-202468
101214161820
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Vitesse du vent
Puis
sanc
e eacutel
ectri
que
Pitch=0Pitch=2Pitch=4Pitch=6Pitch=8Pitch=10
Courbe de puissance agrave 100 rmp
-100
1020304050607080
3 5 7 9 11 13 15 17 19
Vitesse du vent
Puis
sanc
e eacutel
ectri
que
Pitch=-4Pitch=-2Pitch=0Pitch=2Pitch=4Pitch=6Pitch=8Pitch=10
Novembre 2021