Brevet FR2980244A1 — publié le 20130322

Pale d'hydrolienne La présente invention se rapporte aux pales utilisées pour les turbines sous-marines utilisant l'énergie des courants marins pour produire de l'électricité. Plus particulièrement, elle concerne une pale d'hydrolienne présentant un profil symétrique et comportant un bord d'attaque, un bord de fuite, un intrados défini par un premier flanc entre le bord d'attaque et le bord de fuite et un extrados défini par un deuxième flanc entre le bord d'attaque et le bord de fuite, l'intrados et l'extrados délimitant entre eux une épaisseur, la pale présentant une corde reliant le bord d'attaque et le bord de fuite. Il est connu du document W02006125959 une turbine sous-marine comprenant une pale possédant un profil elliptique et un axe de symétrie placé au niveau de la demi-corde, comme cela est visible sur la figure 1. Grâce à ce profil, il existe toute une gamme d'angles d'incidence formés par le vecteur vitesse de l'eau et la corde, à l'intérieur de laquelle la pale fonctionne de manière satisfaisante pour les différentes marées montantes ou descendantes. Toutefois lorsque la valeur de l'angle d'incidence est trop importante, les filets d'eau se détachent de la surface de l'extrados un peu derrière le bord d'attaque. De fortes dépressions locales apparaissent, susceptibles de provoquer une cavitation. Un fort tourbillon se crée, avec l'eau circulant en sens inverse sur l'extrados au voisinage du bord de fuite. La portance dégringole, et un phénomène de décrochage apparaît. Il est aussi connu de l'art antérieur, des pales dont le profil présente un bord d'attaque arrondi et un bord de fuite effilé, comme visible sur la figure 3. Grâce à ce profil, il a été constaté que la traînée hydrodynamique est diminuée. Toutefois le phénomène de décrochage est toujours présent pour des angles d'incidence importants. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients et de proposer une hydrolienne à profil amélioré, permettant d'atténuer l'influence de l'angle d'incidence de la pale et de diminuer les décollements des filets d'eau aussi bien sur l'extrados au bord d'attaque que sur l'intrados au bord de fuite. A cet effet la pale d'hydrolienne telle que décrite précédemment est caractérisée en ce que l'intrados et l'extrados sont symétriques par rapport au point milieu de la corde, le bord de fuite et le bord d'attaque sont symétriques par rapport au point milieu de la corde, et en ce que la corde présente un profil courbe sensiblement en S et présente un point d'inflexion situé sensiblement en son point milieu. Grâce à ces dispositions la portance de la pale est améliorée par rapport aux pales de l'art antérieur. Selon d'autres caractéristiques : - La pale présente une épaisseur relative maximum au niveau du point milieu de la corde ; - l'épaisseur relative maximum est comprise entre 10% et 20% ; - le bord d'attaque et le bord de fuite présentent une forme arrondie pourvue d'un rayon de courbure sensiblement constant. - le rayon de courbure est au moins égal à la moitié de 2% de la longueur de la corde - l'intrados et l'extrados présentent une forme sensiblement convexe. - chaque point de l'extrados est défini par un couple de valeur d'abscisse et d'ordonnée, et l'ordonnée étant égale à la somme de l'ordonnée correspondante d'un profil elliptique et de l'ordonnée correspondante d'un profil effilé éffectées respectivement d'un coefficient de pondération a et (1-a). - le coefficient a est compris entre 0,3 et 0,7. - la corde est definie par la relation : m = h.cos (Tr.X/L) La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit réalisée sur la base des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe d'un profil elliptique de l'art antérieur, la figure 2 représente les courbes de l'évolution des coefficients de portance en fonction de l'angle d'incidence pour divers profils elliptiques, la figure 3 représente une vue en coupe d'un profil elliptique de l'art antérieur avec un bord de fuite effilé, les figures 4 et 5 représentent des vues en coupe d'un profil elliptique selon deux variantes de réalisation de l'invention, la figure 6 illustre les courbes de portances de plusieurs profils de pale en fonction de l'angle d'incidence, la figure 7 illustre les courbes de traînées de plusieurs profil de pale en fonction de l'angle d'incidence. Les hydroliennes à axe horizontal mettent en oeuvre des rotors reliés à plusieurs pales pour récupérer l'énergie des courants de marée. Les pales et le rotor de l'hydrolienne tournent sous l'effet des courants des marées et permettent la transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique qui est alors transformée en énergie électrique par un alternateur. L'hydrolienne selon la présente invention est disposée sur le fond marin. Afin de pouvoir fonctionner en marée montante et en marée descendante, l'hydrolienne est adaptée à tourner dans un premier sens ou dans un deuxième sens opposé selon le sens de courant. A cet effet les pales sont rigidement fixées au moyeu du rotor et on un angle de calage fixe. Ainsi le sens de rotation du rotor s'inverse avec le courant. La figure 4 représente une section d'une pale10 selon l'invention selon un plan perpendiculaire à la direction longitudinale. La section permet de visualiser un profil présentant une forme sensiblement elliptique. Les pales comportent une partie avant appelée aussi bord d'attaque 12 et une partie arrière appelée aussi bord de fuite 14. Les pales présentent en outre un intrados 16 défini par un premier flanc entre le bord d'attaque et le bord de fuite et formé par la partie inférieure de la pale, et un extrados 18 défini pat un deuxième flanc entre le bord d'attaque et le bord de fuite et qui est à l'extérieur par rapport au sens du courant. Une ligne imaginaire, appelée corde 20, joint le bord d'attaque au bord de fuite. Sur la figure 1, la corde 20 est définie par l'ensemble des points équidistants de l'intrados 16 et de l'extrados 18. Sur les schémas annexés, X est l'abscisse, Y l'ordonnée du point d'extrados 18, Y' l'ordonnées de point d'intrados 16. Les profils elliptiques présentent une épaisseur relative qui est le rapport entre l'épaisseur maximum de la section de la pale et la longueur de la corde 20 de cette section. Sur la figure 1 ; l'épaisseur relative est de 15%. Dans la présente invention, les pales 10 ont un profil symétrique de sorte que l'hydrolienne puisse fonctionner quel que soit le sens du courant. A cet effet l'intrados 16 et l'extrados 18 sont symétriques par rapport au point milieu de la corde 20, le bord de fuite 14 et le bord d'attaque 12 sont symétriques par rapport au point milieu de la corde 20, et la corde 20 présente un profil courbe sensiblement en S et présente un point d'inflexion situé en son point milieu. Dans une autre forme de réalisation, le point d'inflexion peut se trouver légèrement décalé. Par exemple, ce cas est envisageable lorsqu'on a un flux de courant d'eau différent dans un sens. Le bord d'attaque 12 du profil présente une forme arrondie qui permet de limiter la dépression qui prend naissance sur la face d'extrados 18, provoquée par la déviation imposée aux filets d'eau. De manière préférentielle le bord d'attaque 12 et le bord de fuite 14 présentent une forme arrondie pourvue d'un rayon de courbure sensiblement constant et au moins égal à 2% de la moitié de la longueur de la corde 20. Lorsque que le bord de fuite est effilé. Il y a nécessairement un arrondie car ce bord de fuite est arrondie par l'utilisation de la pale et par la contrainte de réalisation du bord de fuite. Le bord de fuite 14 présente les mêmes caractéristiques techniques que le bord d'attaque 12 car il est le symétrique de celui-ci. Le bord d'attaque 12 arrondi contribue à atténuer la dépression locale et retarde l'apparition du décrochage. Grâce à ces dispositions les filets d'eau restent parfaitement au contact de l'extrados 18, et la portance de la pale 10 est améliorée par rapport aux profils elliptiques de l'art antérieur. Il est connu que le phénomène de décrochage, dans lequel la portance diminue fortement, intervient pour des angles d'incidence supérieurs à une valeur seuil. Cette valeur seuil augmente lorsque l'épaisseur de la pale 10 augmente. La figure 2 illustre l'évolution de la courbe de portance en fonction de l'angle d'incidence pour divers profils elliptique. On peut constater que pour une épaisseur relative de 15%, l'angle de décrochage est d'environ 19° alors que pour une épaisseur de 5% il est d'environ 6°. Par ailleurs, les filets d'eau qui quittent le bord de fuite produisent une succion notable qui est responsable d'une traînée hydrodynamique préjudiciable au rendement de l'hydrolienne. Il a été constaté que les pales présentant un bord de fuite effilé, comme visible à la figure 3, présentent une traînée qui est inférieure d'environ 1/3 de celle des pales elliptiques. Afin d'améliorer les performances des pales, la présente invention propose de combiner les profils des pales de l'art antérieur, de sorte que l'ordonnée de l'extrados 18 du profil selon l'invention soit égal à la somme de l'ordonnée correspondante de l'extrados du profil elliptique décrit précédemment et de l'ordonnée correspondante de l'extrados du profil à bord de fuite effilé, chacune de ces ordonnées étant pondérées par un coefficient déterminé. De préférence : Y= a*Y1+ (1-a)*Y2 Où « a » est un coefficient compris entre 0,3 et 0,7, de préférence égal à 0,5, Y est l'ordonnée de l'extrados du profil selon l'invention pour une abscisse égale à X, Y1 est l'ordonnée en X du profil elliptique, Y2 est l'ordonnée en X du profil effilé. L'intrados 16 est obtenu par symétrie centrale par rapport au point milieu de la corde 20 de l'extrados 18. Comme visible sur la figure 4, la corde 20, qui est la courbe médiane de la section de la pale 10, est égal à la demi-somme des ordonnées Y de l'extrados 18 et Y' de l'intrados 16. Il est visible que cette courbe présente une forme en S. Grâce à ces dispositions, l'influence de l'angle d'incidence de la pale pouvant entraîner des décollements de filets d'eau est limité du fait de l'épaisseur de la pale et du bord obtenue grâce au bord d'attaque arrondi, et la traînée hydrodynamique est diminuée puisque l'angle de fuite est diminué grâce la déformation de la ligne médiane. Le tableau ci-dessous liste les coordonnées des points constituant un profil elliptique d'épaisseur relative 15%, un profil à bord de fuite effilé et un profil selon l'invention, où le coefficient a est égal à 0,5. X 0 5 7.5 ELLIPTIQUE 15% NACA 0012 PROFIL S1 Y' 0.00 -5.69 -7.08 Y Y' Y Y' Y 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10.58 -10.58 6.00 -6.00 8.29 12.94 -12.94 12.00 -12.00 12.47 12.5 16.67 -16.67 18.94 -18.94 17.80 -9.34 25 23.42 -23.42 26.14 -26.14 24.78 -13.73 50 32.69 -32.69 35.54 -35.54 34.12 -20.38 75 39.51 -39.51 42.00 -42.00 40.75 -25.39 100 45.00 -45.00 46.82 -46.82 45.91 -29.74 150 53.56 -53.56 53.46 -53.46 53.51 -36.98 200 60.00 -60.00 57.38 -57.38 58.69 -43.12 250 64.95 -64.95 59.42 -59.42 62.19 -48.38 300 68.74 -68.74 60.02 -60.02 64.38 -52.69 350 71.55 -71.55 59.40 -59.40 65.47 -56.47 400 73.48 -73.48 58.04 -58.04 65.76 -59.56 450 74.62 -74.62 55.56 -55.56 65.09 -61.91 500 75.00 -75.00 52.94 -52.94 63.97 -63.97 550 74.62 -74.62 49.20 -49.20 61.91 -65.09 600 73.48 -73.48 45.64 -45.64 59.56 -65.76 650 71.55 -71.55 41.40 -41.40 56.47 -65.47 700 68.74 -68.74 36.64 -36.64 52.69 -64.38 750 64.95 -64.95 31.80 -31.80 48.38 -62.19 800 60.00 -60.00 26.24 -26.24 43.12 -58.69 850 53.56 -53.56 20.40 -20.40 36.98 -53.51 900 45.00 -45.00 14.48 -14.48 29.74 -45.91 925 39.51 -39.51 11.28 -11.28 25.39 -40.75 950 32.69 -32.69 8.06 -8.06 20.38 -34.12 975 23.42 -23.42 4.03 -4.03 13.73 -24.78 987.5 16.67 -16.67 2.02 -2.02 9.34 -17.80 992.5 12.94 -12.94 1.21 -1.21 7.08 -12.47 995 10.58 -10.58 0.81 -0.81 5.69 -8.29 1000 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Le tableau ci-dessous liste des données de point pour un exemple de profil elliptique, l'ellipse possède une épaisseur relative de 15% et une déformation par une courbe en cosinus à hauteur de 3,5% de la corde. X Y Y' Ordonnée Ordonnée déformation Abscisse face face de la ligne supérieure inférieure médiane 0 35.0 35.0 35.0 5 45.6 24.4 35.0 7.5 47.9 22.0 35.0 12.5 51.6 18.3 35.0 25 58.3 11.5 34.9 50 67.3 1.9 34.6 75 73.5 -5.5 34.0 100 78.3 -11.7 33.3 150 84.7 -22.4 31.2 200 88.3 -31.7 28.3 250 89.7 -40.2 24.7 300 89.3 -48.2 20.6 350 87.4 -55.7 15.9 400 84.3 -62.7 10.8 450 80.1 -69.1 5.5 500 75.0 -75.0 0.0 550 69.1 -80.1 -5.5 600 62.7 -84.3 -10.8 650 55.7 -87.4 -15.9 700 48.2 -89.3 -20.6 750 40.2 -89.7 -24.7 800 31.7 -88.3 -28.3 850 22.4 -84.7 -31.2 900 11.7 -78.3 -33.3 925 5.5 -73.5 -34.0 950 -1.9 -67.3 -34.6 975 -11.5 -58.3 -34.9 987.5 -18.3 -51.6 -35.0 992.5 -22.0 -47.9 -35.0 995 -24.4 -45.6 -35.0 1000 -35.0 -35.0 -35.0 La figure 4 illustre en outre, en pointillé, un profil elliptique de l'art antérieur. Selon une variante de réalisation, il est aussi possible de calculer la 20 position des points constituant la corde par la formule m= h. cos (r.X/L) Où h est la hauteur de déformation de la corde au-dessus du plan, X est l'abscisse L est la longueur de la corde de la pale 25 La longueur L de la corde de la pale est la distance mesurable entre les deux plans tangents au bord d'attaque et au bord de fuite selon la section de la pale. La figure 5 illustre un profil S2 obtenue par la formule ci-dessus. 30 L'épaisseur relative de la pale est de 15% et la corde recourbée présente une hauteur initiale de 35. La figure 6 illustre la courbe de portance de différents profils de pale. Comme cela est visible sur ladite figure, la portance des profils S1 et S2 est 10 15 améliorée par rapport aux profils elliptiques des pales de l'art antérieur. De même la traînée du profil S2 de pale est nettement inférieure à celle des autres profils. Le bord de fuite est moins incliné par rapport aux filets d'eau que l'angle d'incidence moyenne de l'aile, ce qui explique la diminution de la traînée. De plus pour le profil S2 la portance est décalée vers des angles d'incidence plus faibles, ce qui correspond à l'inclinaison de la corde, d'environ 4°. REVENDICATIONS1. Pale d'hydrolienne présentant un profil symétrique et comportant un bord d'attaque (12) et un bord de fuite (14), la pale (10) présentant en outre un intrados (16) défini par un premier flanc entre le bord d'attaque (12) et le bord de fuite (14) et un extrados (18) défini par un deuxième flanc entre le bord d'attaque (12) et le bord de fuite (14), l'intrados (16) et l'extrados (18) délimitant entre eux une épaisseur, la pale (10) présentant une corde (20) reliant le bord d'attaque (12) et le bord de fuite (14), caractérisé en ce que : - l'intrados (16) et l'extrados (18) sont symétriques par rapport au point milieu de la corde (20), - en ce que le bord de fuite (14) et le bord d'attaque (12) sont symétriques par rapport au point milieu de la corde (20), - et en ce que la corde (20) présente un profil courbe sensiblement en S et présente un point d'inflexion situé sensiblement en son point milieu. 2. Pale d'hydrolienne selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle présente une épaisseur relative maximum au niveau du point milieu de la corde (20). 3. Pale d'hydrolienne selon la revendication précédente, dans laquelle l'épaisseur relative maximum est comprise entre 10% et 20%. 4. Pale d'hydrolienne selon l'une des revendications précédente, dans lequel le bord d'attaque (12) et le bord de fuite (14) présentent une forme arrondie pourvue d'un rayon de courbure sensiblement constant. 5. Pale d'hydrolienne selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rayon de courbure est au moins égal à la moitié de 2% de la longueur de la corde (20).6. 7. 8. 9. 10 Pale d'hydrolienne selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'intrados (16) et l'extrados (18) présentent une forme sensiblement convexe. Pale d'hydrolienne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque point de l'extrados (18) est défini par un couple de valeur d'abscisse et d'ordonnée, l'ordonnée étant égale à la somme de l'ordonnée correspondante d'un profil elliptique et de l'ordonnée correspondante d'un profil effilé, affectées respectivement d'un coefficient de pondération a et (1-a). Pale d'hydrolienne selon la revendication précédente, dans lequel le coefficient a est compris entre 0,3 et 0,7. Pale d'hydrolienne selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle la corde est definie par la relation : m = h.cos (Tr.X/L) Où m est égale à l'ordonnée de la corde (20) h est la hauteur de déformation de la corde (20) au dessus du plan, X est l'abscisse, L est la longueur de corde (20) de la pale.