Brevet FR2966889A1 — publié le 20120504

La présente invention concerne les domaines d'application de l'effet Magnus, notamment le déplacement des navires, et en particulier les éoliennes. L'installation selon l'invention permet d'optimiser le rendement de l'effet Magnus en autorisant une diminution de l'énergie nécessaire à l'entrainement 10 des rotors. Le document DE102005001235A1 décrit un procédé de réduction de la consommation d'énergie requise pour la mise en rotation des rotors dans le cas d'une éolienne. La solution repose sur l'utilisation de plusieurs tronçons 15 tournant à différentes vitesses de rotation le long d'un bras d'éolienne. Le document JP2008082185A décrit un procédé similaire au document précédent basé sur l'utilisation de rotor ayant un diamètre croissant du centre de rotation vers l'extrémité du rotor. De ce fait, en dépit d'une vitesse de rotation constante sur toute la longueur du rotor, la vitesse périphérique 20 augmente avec la distance au centre de rotation augmentant l'effet Magnus à la périphérie des bras de l'éolienne tout en diminuant les pertes visqueuses près du centre de rotation là où l'effet Magnus est faible. Plusieurs documents traitent de rotors à effet Magnus avec un effet spiral: US2007/0046029A1, WO2006/087779A1, WO2007/017930A1, 25 WO2009/004828A1, WO2009/004981A1. Ces rotors d'éolienne fonctionnant sur le principe de l'effet Magnus sont recouverts d'une structure en forme de spirale induisant un mouvement spiralé de l'écoulement le long du rotor en plus de la rotation autour du centre de rotation du rotor. Ainsi, la présente invention concerne une installation comportant au moins un rotor à effet Magnus et des moyens d'entrainement en rotation dudit rotor, caractérisée en ce que ledit rotor comporte sur au moins une portion de sa surface extérieure des surfaces structurées pour optimiser son comportement hydro/aérodynamique vis-à-vis d'un fluide en écoulement turbulent. Les surfaces structurées peuvent être au moins l'un des types suivants: microstructure bidimensionnelle, tridimensionnelle à ondes transverses et/ou à ondes méridiennes orthogonales. Le rotor peut comporter plusieurs géométries de surfaces microstructurées. Le rotor peut être une pale d'éolienne. Le rotor peut être installé sur un navire. Le rotor peut comprendre plusieurs tronçons entrainés à des 15 vitesses de rotation différentes. Le rotor peut être conique. Le rotor peut comporter en sus des macrostructures du type lame hélicoïdale. 20 L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - les figures la et lb illustrent l'effet Magnus selon l'art antérieur, - la figure 2 illustre l'effet Magnus selon la présente invention, 25 - la figure 3 décrit des surfaces structurées bidimensionnelles, - les figures 4a et 4b décrivent des surfaces structurées tridimensionnelles, - les figures 5, 6 et 7 illustrent des modes de réalisation d'éoliennes selon l'invention. Rotor à effet Magnus: La rotation d'un cylindre autour de son axe principal dans un fluide au repos entraîne le fluide à proche distance de sa surface extérieure dans un mouvement de rotation dû principalement à la viscosité du fluide, la vitesse du fluide diminuant de la périphérie du rotor (vitesse égale à la vitesse périphérique) à une grande distance de cette surface (vitesse nulle). La variation de vitesse par rapport à la distance à la surface extérieure du cylindre est constante s'il s'agit d'un écoulement laminaire. La variation de vitesse est logarithmique s'il s'agit d'un écoulement turbulent. Quelque soit le type d'écoulement, l'écoulement autour du cylindre est symétrique par rapport à l'axe de rotation, le fluide n'engendrant pas d'effort particulier sur le cylindre si ce n'est une résistance à la rotation. La résistance à la rotation est proportionnelle au carré de la vitesse périphérique, à la masse volumique du fluide, à la surface du cylindre et à un facteur de friction. Le calcul de ce dernier paramètre est dépendant du type d'écoulement. Il est inversement proportionnel au nombre de Reynolds local s'il s'agit d'un écoulement laminaire, et dépendant du nombre de Reynolds et de la rugosité de surface s'il s'agit d'un écoulement turbulent. La rotation d'un cylindre autour de son axe principal dans un fluide en mouvement génère une dissymétrie de l'écoulement autour du cylindre au-delà d'une distance sensiblement égale à l'épaisseur de la couche limite (à l'intérieur de la couche limite l'écoulement reste inchangé, par rapport au cas précédent, étant seulement dépendant de la masse volumique et de la viscosité de ce fluide). Cette dissymétrie engendre une force F dans une direction privilégiée. Une représentation des déplacements relatifs et de l'effort résultant est donnée sur la figure la. Dans la partie supérieure de la figure la, l'écoulement du fluide est facilité par la rotation du cylindre. Les vitesses du fluide Va et w du cylindre étant orientées dans la même direction, l'écoulement du fluide s'effectue à proche distance du système avec une grande vitesse absolue comme à proximité de l'extrados d'une aile d'avion. Dans la partie inférieure de la figure la, l'écoulement du fluide s'oppose à la rotation du cylindre. Les vitesses du fluide Vb et w du cylindre étant orientées dans des directions opposées, l'écoulement du fluide s'effectue à proche distance du système avec une faible vitesse absolue comme à proximité de l'intrados d'une aile d'avion. De ce changement d'intensité de la vitesse d'écoulement, il résulte que la pression statique Pa est diminuée par rapport à une valeur moyenne lorsque la vitesse d'écoulement Va est augmentée et que la pression statique Pb est augmentée par rapport à une valeur moyenne lorsque la vitesse d'écoulement Vb est diminuée. De cette différence de pressions, un déséquilibre de force s'établit tendant à déplacer le rotor de la pression la plus élevée vers la plus faible. Ce phénomène est désigné par effet Magnus. Le phénomène a pu être vérifié expérimentalement et industriellement sur des bateaux et des éoliennes. Le premier essai sur un bateau a été entrepris par l'allemand Anton Flettner en 1924 sur le Buckau, le navire étant animé par la force développée par deux grands cylindres verticaux en rotation montés sur le pont (figure lb). Le Buckau, rebaptisé le Baden-Baden, traverse l'Atlantique ralliant New York en 1926. D'autres essais sur des bateaux se sont déroulés dans les années 1920 (le Barbara) mais la propulsion par rotor Flettner a été abandonnée vers l'année 1930 face à une meilleure rentabilité des navires à hélice et à la forte pénalité engendrée par un rendement proche de zéro à une vitesse de vent faible. Le coût croissant de l'énergie pourrait redonner le jour à l'utilisation de rotors Magnus optimisés pour la propulsion ainsi que pour des éoliennes de 30 moyenne puissance. L'effet Magnus peut s'appliquer dans tout fluide compressible ou incompressible. La présence de micro structures à la surface d'une paroi en déplacement par rapport à un fluide (paroi fixe et fluide mobile ou l'inverse) permet de réduire la traînée aérodynamique ou hydraulique sur cette paroi en réduisant l'amplitude de certaines fluctuations de vitesse (appelées structures turbulentes), principalement, celles se situant au niveau de la sous couche turbulente (entre couche laminaire et écoulement pleinement turbulent). De par sa géométrie, une surface structurée tend à augmenter la surface en contact avec l'écoulement et, par conséquent, à augmenter les pertes visqueuses. Toutefois, avec une géométrie adaptée à l'écoulement, la réduction des pertes turbulentes associée à la surface structurée est nettement supérieure à l'augmentation des pertes visqueuses. On peut se référer à la publication antérieure FR-2899945 qui décrit: le fonctionnement des surfaces structurées, les types de surfaces structurées, et les méthodes d'optimisation des surfaces structurées, appelées également "riblets". L'adaptation géométrique d'une micro structure est obtenue dans un premier ordre de grandeur lorsque la dimension principale de la micro structure est égale au diamètre de la structure turbulente pariétale également appelée en anglais "low speed streaks". Cette dimension est une fraction constante de l'épaisseur de la couche visqueuse quelque soient les conditions d'écoulement. Ces dimensions sont proportionnelles à la vitesse, la masse volumique et à l'inverse de la viscosité du fluide. Les surfaces structurées peuvent trouver leur application dans de très 25 nombreux domaines : les conduites de gaz et de liquide, les ailes d'avion, les aubes de machines tournantes ou les pales d'éolienne. Dans de nombreuses situations, la direction de l'écoulement est constante et l'épaisseur de la couche limite est également constante. Cette situation est fréquemment rencontrée dans les conduites de fluides. Dans ce 30 type d'application, la dimension de la micro structure est identique sur toute la longueur de la conduite, la direction principale de la micro structure étant orientée dans la direction de l'écoulement. Dans d'autres situations, l'écoulement change fréquemment de direction ou l'épaisseur de la couche limite évolue de façon importante. Cette situation est typique des aubes de machines tournantes, des ailes d'avion ou des pales d'éolienne. Dans ces applications, la dimension de la micro structure ainsi que sa direction principale évoluent en permanence avec l'écoulement. Les surfaces structurées peuvent être classées en plusieurs catégories, en particulier, selon leur forme et leur performance hydro/aérodynamique : - Formes bi dimensionnelles :- Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent s'assimiler à des rainures orientées dans la direction de l'écoulement (Figure 3). Bien que le mode de dimensionnement soit connu de l'homme du métier, il est cependant rappelé ci-dessous. La forme de base (dans la direction perpendiculaire à l'écoulement) est variable, par exemple, triangulaire, incurvée, trapézoïdale ou en lame de couteau (limite théorique). Pour obtenir une efficacité élevée, la forme structurée doit présenter une forte concavité. La réduction de traînée se situe entre 6 et 12% dépendant de la forme transverse de la structure. - Formes tri dimensionnelles - Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent comporter des formes relativement complexes intégrant plusieurs mécanismes de réduction de traînée aérodynamique (Figures 4a et 4b), par exemple, une surface structurée bi dimensionnelle superposée à une onde transverse ou encore superposée à deux ondes orthogonales (l'une parallèle/"transverse" et l'autre perpendiculaire/"méridienne" à la surface). On pourra se référer aux documents antérieurs FR-2899945 et FR-2928427 qui décrivent des surfaces structurées tridimensionnelles. La réduction de traînée aérodynamique/hydraulique est optimale lorsque la dimension des structures est adaptée aux caractéristiques de l'écoulement relatif à la paroi, principalement, la masse volumique, la viscosité et la vitesse du fluide relativement à cette paroi. La longueur de friction est définie par : lf = ~~Vr avec ,u et p la viscosité et la masse volumique du rection P fluide. La vitesse de friction est définie par : Vfriction = V-\iC/ avec V la vitesse moyenne du fluide. Le facteur de friction Cf est calculé d'après les équations de Blasius ou Prandtl selon la valeur du nombre de Reynolds comme il est connu de l'homme du métier. Par exemple pour Re=14000, le facteur de friction Cf = 031 eo.2s soit 10 Cf = 0.029 La hauteur adimensionnelle des "riblets" est : h+ = h / l f La largeur adimensionnelle des "riblets" est : s+ = s l l f Où, h et s sont la hauteur et la largeur réelles des structures. La largeur optimale des structures est obtenue lorsque s+ est de l'ordre 15 de 15 à 20. La hauteur optimale h+ dépend de la forme des structures variant sensiblement entre 0.5x s+ dans le cas d'une forme relativement rectangulaire (lame de couteau) et 0.85x s+ dans le cas d'une forme triangulaire sensiblement équilatérale. Lorsque la largeur des structures est trop faible, la réduction de traînée 20 est inférieure à celle correspondant à la largeur optimale. Elle tend vers 0 lorsque la largeur des structures tend vers O. Lorsque la largeur des structures est trop grande, la réduction de traînée est également diminuée. Elle est égale à 0 lorsque la largeur des structures est environ le double de la largeur optimale. Au delà de ce seuil, la 25 traînée est supérieure à celle d'une surface lisse. Ces deux exemples (structures trop petites ou trop grandes) montrent qu'il est nécessaire d'adapter les dimensions d'une surface structurée aux conditions locales de l'écoulement, ou tout au moins d'utiliser des dimensions aussi proches que possible des dimensions optimales. Surfaces structurées sur.la surface externe des rotors: Selon l'invention, des surfaces structurées sont réalisées sur la surface externe d'un rotor à effet Magnus. Ces surfaces structurées se présentent sous la forme de rainures avec une direction se situant essentiellement dans un 10 plan perpendiculaire (radial) à l'axe de rotation. Ces structures peuvent être réalisées dans un plan strictement radial s'apparentant à des cercles parallèles les uns aux autres et se situant à une distance sensiblement égale à la largeur d'une rainure. Ces structures peuvent également être réalisées en continu sous la 15 forme d'une spirale, le pas de l'hélice étant sensiblement égal à la largeur d'une rainure. Les rainures peuvent être de différents types : a) bi dimensionnelles b) tri dimensionnelles avec seulement une onde transverse ou deux 20 ondes orthogonales c) tri dimensionnelles avec des caractéristiques supplémentaires aux précédentes, mais permettant également de réduire la turbulence pariétale. Lorsque les surfaces structurées sont de type bi dimensionnel, la largeur et la hauteur de la rainure sont dimensionnées comme cela est illustré sur la 25 figure 3. Toutefois, il convient de rappeler que le rapport hauteur - largeur varie avec la forme comme il est connu de l'homme du métier. La masse volumique et la viscosité du fluide sont définies par la composition du fluide, la pression et la température.5 Lorsque les surfaces structurées sont de type tri dimensionnel, la largeur et la hauteur de la rainure sont dimensionnées comme il est défini plus haut. La période et l'amplitude des ondes orthogonales sont définies comme il est mentionné dans les documents FR-2899945 et FR-2928427. Selon l'invention, il est important de noter que la valeur de vitesse à prendre en compte dans le dimensionnement des structures, est définie de préférence d'après la vitesse du fluide concourante avec le déplacement du cylindre (somme arithmétique de la vitesse moyenne du fluide et de la vitesse périphérique du cylindre) et non d'après la vitesse moyenne du fluide ou encore la vitesse en opposition avec le déplacement du cylindre (valeur absolue de la différence entre la vitesse moyenne du fluide et la vitesse périphérique du cylindre). Ce mode de dimensionnement apporte un avantage supplémentaire comme cité ci-dessous. L'utilisation de surfaces structurées dimensionnées comme il est défini 15 plus haut apporte trois avantages principaux : - le premier avantage est lié à l'état de surface de la surface externe du rotor avant sa structuration. Si le rotor d'origine est rugueux et le nombre de Reynolds est tel que l'ensemble engendre, comme il est connu de l'homme du métier, un facteur de friction supérieur à ce qu'il serait si sa 20 surface était lisse, le mode de structuration peut permettre à l'état de surface de passer d'un mode rugueux à un mode lisse. Dans une telle situation, la structuration contribue donc à réduire le facteur de friction correspondant à l'entraînement du cylindre d'un mode rugueux à un mode lisse et par conséquent, la puissance dissipée pour l'entraînement du 25 cylindre; - le second avantage résulte de la structuration même de la surface par rapport à un état de surface lisse. Cette structuration contribue à diminuer le facteur de friction de 5 à 20% (selon le type de structures utilisées) et, par conséquent, la puissance ou l'énergie nécessaire à la 30 rotation du rotor pour une même condition de fonctionnement du rotor; - La rotation d'un cylindre structuré autour de son axe principal dans un fluide en mouvement avec des dimensions de structure comme il est défini plus haut accentue la dissymétrie entre les deux parties faisant l'objet d'une différence d'écoulement. La partie supérieure de la figure 2 est le champ d'une forte augmentation de vitesse locale due à la forte réduction du facteur de friction correspondant à une optimisation locale des dimensions des surfaces structurées. Si la partie inférieure de la figure 2 est également le champ d'une augmentation de vitesse locale due à une réduction du facteur de friction cette augmentation de vitesse est moindre comparée à la partie supérieure de la figure 2, les dimensions des surfaces structurées n'étant pas optimisées pour cette zone. Il résulte de cette différence d'adaptation des dimensions des surfaces structurées entre les parties supérieure et inférieure de la figure 2 que l'écart est comme ci-après: Pa - Pas>Pb - Pbs ou Pbs-Pas > Pb - Pa En d'autres termes, l'écart de pression augmente, par conséquent, également l'effet Magnus, lorsque la dimension des surfaces structurées est optimisée dans la zone où la vitesse du fluide est en phase avec la vitesse périphérique du cylindre et non celle où elle est en opposition. Les surfaces structurées peuvent être réalisées à la surface du rotor selon plusieurs modes. La fabrication dépend du type d'application et des dimensions des structures, par conséquent, des caractéristiques du fluide dans lequel le rotor est immergé et de celles du rotor (diamètre et vitesse de rotation). Les structures peuvent être réalisées : - par usinage mécanique: Ce sera le cas, en particulier, de rainures de relative grande dimension et, plus particulièrement, celles avec une largeur supérieure à 100 pm. Les moyens d'usinage sont très nombreux, les structures pouvant être réalisées à partir d'une broche, d'une pointe diamant ou d'une meule. - par collage d'un film structuré réalisé par des moyens divers, le dessin du film pouvant comporter toutes sortes de formes tri dimensionnelles. Un avantage du film est qu'il peut être remplacé autant que souhaité. - par ablation laser: Le rotor est mis en rotation lente et le laser est maintenu dans une position fixe en cours d'ablation. L'ablation peut cependant être aussi réalisée en inversant les éléments en déplacement. L'ablation laser peut être effectuée avec un laser pulsé nano seconde s'il s'agit de dimensions de rainures moyennes (entre 50 et. 150 um). En revanche, s'il s'agit de rainures de dimensions plus faibles (par exemple, inférieures à 70 um) il sera préférable d'utiliser une laser pulsé femto seconde. - par érosion chimique: Le rotor est recouvert d'un revêtement soumis à une radiation au travers d'un masque délimitant le tracé de la surface structurée. L'acide dans lequel est' immergé le rotor attaque de façon différenciée les parties insolées des parties non insolées délimitant le volume des surfaces structurées. - par projection d'un revêtement moulé/imprimé: Un revêtement, par exemple, époxydique ou polyuréthanne est déposé par projection sur la périphérie d'un rotor. Dans une seconde phase, un moule en silicone répliqué sur un moule primaire (lui même réalisé de façon mécanique, chimique ou optique) est appliqué sur le revêtement jusqu'à la réticulation finale du revêtement. Une surface structurée tri dimensionnelle peut être constituée de la superposition d'une surface bi dimensionnelle (une rainure) et d'une onde transverse périodique. Ce type de surface structurée repose sur la superposition de deux phénomènes de réduction de traînée aérodynamique que sont la canalisation des structures turbulentes dans une cavité pariétale orientée dans la direction de l'écoulement (une rainure) et l'excitation pariétale transverse à un écoulement. Ainsi, dans le cas d'un écoulement à la périphérie d'un rotor soumis à 30 une rotation, par conséquent, d'un écoulement radial, une excitation périodique contribue à réduire la traînée aérodynamique si elle est exercée dans la direction transverse c'est-à-dire dans la direction axiale du rotor soumis à une rotation. L'amplitude et la fréquence sont calculées comme il est connu de 5 l'homme du métier et comme il est précisé dans un grand nombre de publications, notamment: - "Initial response of a turbulent channel flow to spanwise oscillation of the walls" - Maurizio Quadrio & Pierre Ricco - Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano, via La Masa 34-20158 10 Milano, Italy. JOURNAL OF TURBULENCE 4 (2003) 007 - "Drag reduction by spanwise wall oscillation in wall bounded turbulent flows" - Jung II Choi & Chun Xiao Xu - AIAA Journal - Vol 40, N°5 - May 2002 L'excitation axiale d'un rotor soumis à une rotation peut être réalisée 15 par différents moyens. Ces moyens dépendent de l'amplitude et de la fréquence, par conséquent, des caractéristiques du fluide dans lequel le rotor est immergé et également de celles du rotor (diamètre et vitesse de rotation). Ces moyens peuvent être fondés sur: - une méthode magnétique: des électroaimants successivement repoussant et 20 attirant le rotor selon un cycle périodique, - une méthode hydraulique: des vérins sont actionnés par un liquide successivement pressurisés et dépressurisés par une pompe. - une méthode pneumatique: la méthode est similaire à la précédente, le liquide étant remplacé par un gaz. 25 - une méthode mécanique: les profils radiaux des parties fixe et tournante sont déformés de façon à communiquer un mouvement périodique selon la direction de l'axe de rotation. La hauteur et le nombre de ces déformations définissent l'amplitude et la fréquence que l'on veut communiquer à l'excitation. Il convient de noter que les trois premières méthodes sont ajustables et peuvent être adaptées par servocommande aux conditions du moment, tandis que l'amplitude et la fréquence de l'excitation de la quatrième méthode sont déterminées par la géométrie des faces tournante et fixe en vis-à-vis ainsi que de la vitesse de rotation. A l'inverse, l'activation selon la méthode 4 est toujours active et non dépendante d'organes extérieurs. Applications aux bateaux, véhicules de transport et aux éoliennes a) Dans le cas d'un bateau, le rotor aérien des figures la - gauche et 1b est remplacé par celui de la figure 2 - gauche, les structures étant identiques d'une extrémité à l'autre du rotor compte tenu de la vitesse du vent qui est relativement similaire sur toute la longueur du rotor. b) L'utilisation d'un rotor immergé dans un courant d'eau est également envisageable, le bateau se déplaçant avec un angle suffisant par rapport au 15 courant (angle déterminant l'efficacité de l'effet Magnus). c) L'utilisation est envisageable pour certains véhicules terrestres et aériens selon les conditiôns de déplacement d'air. d) Dans le cas d'une éolienne, la taille des microstructures diminue en direction de l'extrémité libre, la vitesse périphérique étant proportionnelle à la 20 distance au centre de rotation du rotor de l'éolienne. Les dimensions des structures sont dépendantes des caractéristiques de l'éolienne et de la vitesse nominale du vent. Plusieurs cas d'éolienne peuvent être envisagés : dl) Une éolienne est composée de plusieurs tronçons de rotor tournant 25 avec une vitesse croissante en direction de l'extrémité libre des bras d'éolienne (N1 REVENDICATIONS1) Installation comportant au moins un rotor à effet Magnus et des moyens d'entrainement en rotation dudit rotor, caractérisée en ce que ledit rotor comporte sur au moins une portion de sa surface extérieure des surfaces structurées pour optimiser son comportement hydro/aérodynamique vis-à-vis d'un fluide en écoulement turbulent. 2) Installation selon la revendication 1, dans laquelle les surfaces structurées sont au moins l'un des types suivants: microstructure bidimensionnelle, tridimensionnelle à ondes transverses et/ou à ondes méridiennes orthogonales. 3) Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle ledit rotor comporte plusieurs géométries de surfaces microstructurées. 4) Installation selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle 15 ledit rotor est une pale d'éolienne. 5) Installation selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit rotor est installé sur un navire. 6) Installation selon la revendication 4, dans laquelle ledit rotor comprend plusieurs tronçons entrainés à des vitesses de rotation 20 différentes. 7) Installation selon la revendication 4, dans laquelle ledit rotor est conique. 8) Installation selon la revendication 4, dans laquelle ledit rotor comporte en sus des macrostructures du type lame hélicoïdale. 25