Brevet FR3097276A1 — publié le 20201218

Description Titre de l'invention : Pale de rotor d'éolienne comportant un ac- tionneur fluidique et procédé d'amélioration des performances aéro- dynamiques des éoliennes Domaine technique 100011 La présente invention concerne le domaine des éoliennes et plus particulièrement les pales de rotor d'éolienne et un procédé d'amélioration des performances aérodynamiques des éoliennes. Technique antérieure [0002] L'optimisation du rendement des éoliennes ainsi que l'augmentation de leur durée de vie sont actuellement des préoccupations majeures des exploitants de parcs éoliens. [0003] Une cause de vieillissement prématuré des éoliennes qui est souvent mise en avant est l'accumulation des charges imposées par les forts cisaillements instationnaires en amont du rotor (dus au désalignement par rapport au vent incident, aux bourrasques, aux turbulences, aux vagues etc...) qui induisent une variation dynamique complexe des efforts aérodynamiques. Afin de limiter l'influence de ces perturbations sur l'éolienne, plusieurs solutions ont été envisagées à ce jour. [0004] Une première solution envisagée a été d'adapter aux pales existantes des dispositifs communément appelés «add-on», destinés à modifier la surface aérodynamique de la pale de l'éolienne pour en améliorer les performances. Il s'agit de dispositifs passifs sous forme d'éléments faisant saillie de la surface de la pale, comprenant par exemple des ailettes, dents ou volets dressés sur le bord d'attaque de la pale (tels que décrits par exemple dans le brevet EP2736805, ou dans le brevet DE102011122140 présentant des volets mobiles); ces dispositifs sont dénommés générateurs de tourbillons ou encore générateurs de vortex. En effet, les tourbillons créés autour de ces dispositifs à la surface des pales modifient l'écoulement de l'air autour de ces dernières et en augmentent la portance. Ainsi, ont été observés, avec de tels dispositifs montés sur certaines éoliennes, des gains moyens de puissance de l'ordre de 1,5 à 3 %. [0005] Cependant ces dispositifs fixes ont une action permanente alors que les charges imposées à l'éolienne ne se produisent que ponctuellement (par exemple sous l'effet dc bourrasques ...) et sont dans tous les cas fortement instationnaircs. L'augmentation dc la durée de vie d'une éolienne à l'aide de tels dispositifs passifs est alors synonyme de la diminution du rendement global de l'éolienne. [0006] Une autre solution a été dc prévoir, dès la construction de la pale d'éolienne, des aménagements modifiant le profil aérodynamique de ladite pale en réalisant par exemple des orifices communiquant avec l'espace intérieur creux de ladite pale. Un 2 exemple est donné par le document GB 2216959A qui décrit une pale d'éolienne dans laquelle ont été ménagés deux orifices à chaque extrémité de ladite pale ; ces orifices sont interconnectés par un passage, à l'intérieur même de la pale, équipé d'une vanne de régulation du flux d'air dans ledit passage, de manière à créer des turbulences à l'extrémité distalc de la pale, pour freiner sa rotation en cas de grand vent. [0007] On connait aussi de US 2004/0201220 une cavité ménagée, lors de la construction, à l'intérieur de la pale et ouverte vers l'extérieur selon une fente longitudinale allant d'une extrémité à l'autre de ladite pale, parallèle à son bord de fuite. L'air circulant dans la cavité sort par la fente et modifie la portance et la tramée de la pale. La pression de l'air sortant par ladite fente longitudinale peut être modulée selon les conditions du vent. Selon le même principe, dans le document US 2010/0014970 la cavité intérieure de la pale comporte une multiplicité de cavités individuelles chacune communiquant avec l'extérieur par le biais de fentes séparées ou de trous ménagés dans la longueur de l'enveloppe de ladite pale. [0008] La fabrication de telles pales avec la création de cavités ou canaux internes pour la circulation de l'air, communiquant avec l'extérieur, est coûteuse et nécessite d'être pensée dès la phase de fabrication de la pale de l'éolienne. [0009] BUTS DE L'INVENTION [0010] En conséquence, un premier but de l'invention est de proposer un dispositif adaptable aux pales existantes, permettant de modifier les performances aérodynamiques desdites pales et d'augmenter la durée de vie de l'éolienne. [0011] Un autre but de l'invention est de proposer une pale incorporant un tel dispositif, ce dispositif étant modulable et adaptable à tout type de pales. [0012] Un autre but de l'invention est de proposer une pale incorporant un tel dispositif, qui permette d'adapter la pale aux diverses configurations de vents incidents rencontrés, et de pallier notamment les régimes instationnaires des éoliennes créés par les turbulences ou les variations des vents incidents. [0013] Un autre but de l'invention est de proposer une pale incorporant un tel dispositif, qui soit bon marché et d'application aisée. [0014] DESCRIPTION DE L'INVENTION [0015] Ces buts, ainsi que d'autres, sont atteints par la pale selon l'invention. [0016] A cet effet la présente invention concerne une pale de rotor d'éolienne, ladite pale étant formée d'une enveloppe longitudinale présentant un bord d'attaque et un bord de fuite et comportant des moyens de modification des performances aérodynamiques de ladite pale, caractérisée en ce que lesdits moyens de modification des performances aérodynamiques comprennent au moins un actionneur fluidique à jets d'air pulsés ou continus et/ou à aspiration intermittente ou continue, ledit actionneur étant disposé à la surface extérieure de l'enveloppe de la pale. 3 [0017] Le positionnement en surface de l'actionneur fluidique, est aisé. Il peut être appliqué à n'importe quel endroit de la surface de l'enveloppe de la pale. Selon un mode de réalisation avantageux, le ou les actionneurs sont disposés longitudinalement le long d'une position de la corde de la pale, de préférence le long du bord d'attaque et/ou le long du bord de fuite de la pale. [0018] Ces actionneurs à jets d'air pulsés ou continus et/ou à aspiration intermittente ou continue sont des dispositifs actifs, au contraire des dispositifs passifs de l'art antérieur fixés à la surface de la pale et faisant saillie de celle-ci. [0019] De préférence, l'actionneur fluidique présente un corps tubulaire allongé comprenant une base solidaire de la surface extérieure de l'enveloppe de la pale et une paroi opposée à ladite base, entre lesquelles est disposé au moins un canal central longitudinal, pouvant former réservoir d'air, connecté à une pluralité d'orifices débouchant à l'extérieur du dit corps et de l'enveloppe de la pale. [0020] Le canal central de l'actionneur fluidique comporte avantageusement des extrémités équipées de moyens d'obturation dynamiques et connectées à un compresseur d'air alimentant en air comprimé ledit canal central ou connectées à un dispositif de pompage aspirant l'air du dit canal central. [0021] Les orifices débouchant à l'extérieur dudit corps de l'actionneur (par l'intermédiaire de canaux latéraux, d'entrée ou de sortie d'air, reliés au canal central) peuvent présenter une forme circulaire ou une forme allongée. Ces canaux latéraux, d'entrée ou de sortie d'air, peuvent être orientés perpendiculairement à la surface de l'enveloppe de la pale, ou, suivant d'autres variantes, déboucher au niveau de ladite surface selon une inclinaison permettant au jet d'air d'être dirigé vers l'avant ou vers Panière de la pale. Par avant ou arrière de la pale on entend ici le sens de l'écoulement de l'ah- environnant, c'est-à-dire le sens de rotation de l'éolienne, en fonctionnement. [0022] La pale selon l'invention peut comporter plusieurs actionneurs fluidiques. En variante, chaque actionneur fluidique peut comporter des canaux latéraux, d'entrée ou de sortie d'air, orientés selon des angles différents pat- rapport à la surface de l'enveloppe de la pale. [0023] La pale selon l'invention peut aussi comporter plusieurs actionneurs fluidiques montés en série. On voit donc que de tels actionneurs sont très modulables, pouvant être adaptés aux conditions dans lesquelles est ou va être placée l'éolienne. [0024] Le ou les actionneurs fluidiques sont avantageusement logés dans des rainures ménagées à la surface de l'enveloppe de la pale (dans l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe), la paroi extérieure du corps des actionneurs affleurant à la surface extérieure de ladite enveloppe de la pale. Le ou les actionneurs fluidiques peuvent être solidarisés par collage à l'enveloppe de la pale. Le ou les actionneurs fluidiques sont avantageusement en matériau non-ferreux, de préférence en matériau polymère ou composite. [0025] Selon un mode de réalisation avantageux, chaque actionneur est connecté à un dispositif de commande de l'ouverture et/ou la fermeture des dispositifs d'obturation dynamiques, de préférence selon une fréquence donnée. [0026] De plus de tels actionneurs peuvent être commandés séparément les uns des autres. De préférence, le dispositif de commande du ou des actionneurs fluidiques est relié à un dispositif (tel qu'un pcnon électronique, un capteur de pression, un capteur de décrochement, un anémomètre ou un lidar) de détermination du régime d'écoulement de l'air autour de la pale conditionnant le débit d'air en sortie ou entrée des orifices du ou des actionncur(s) fluidique(s). [0027] Un tel couplage des actionneurs fluidiques peut avantageusement être réalisé avec un pcnon électronique tel que décrit dans le brevet EP 2185942 Bl. Une boucle d'asservissement peut alors être mise en oeuvre entre ce pcnon électronique, capteur qui détecte un écoulement de l'air non laminaire et l'actionneur fluidique qui émet des jets d'air pulsés ou continus ou aspire l'air extérieur de manière intermittente ou continue, jusqu'au rétablissement d'un écoulement laminaire autour de la zone de l'enveloppe de la pale considérée. [0028] La présente invention concerne également un procédé d'amélioration des per- formances aérodynamiques d'une éolienne au moyen de pale(s) telles que décrites ci-dessus permettant, par commande du débit d'air des jets d'air pulsés ou continus et/ou de l'aspiration intermittente ou continue du ou des actionneur(s) fluidique(s) de ladite pale, de diminuer ou d'augmenter la portance de ladite pale, de moduler la portance, à tout moment, et plus particulièrement de retarder le décrochage de ladite pale. [0029] La présente invention permet une meilleure gestion des variations dynamiques des efforts aérodynamiques sur la pale et une amélioration certaine des conditions de fonctionnement de l'éolienne. Elle permet de contribuer à l'optimisation du rendement d'une éolienne ainsi qu'à l'augmentation de sa durée de vie [0030] De plus, en réduisant les perturbations aérodynamiques affectant l'environnement de la pale, le bruit associé au fonctionnement de l'éolienne est diminué. Brève description des dessins [0031] L'invention sera bien comprise à la lecture de la desciiption suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0032] [fig.1] est une vue en perspective d'une pale selon la présente invention avec un agrandissement montrant plus en détail l'actionneur fluidique ; [0033] [fig.2] est un schéma du principe de fonctionnement de l'actionneur fluidique selon un exemple de réalisation de l'invention (jets d'air pulsés ou continus) montrant, selon une coupe longitudinale, le canal central et les orifices de sortie d'air ; 100341 Ifie.31 est une vue en perspective de dessus d'un actionneur fluidique selon l'invention, schématisant en pointillés les canaux internes ; [0035] [fig.4] présente une vue en coupe selon BB de l'actionneur fluidique de la figure 3 ; [0036] [fig.5] présente une vue (agrandie) en coupe selon CC de l'actionneur fluidique de la figure 3 ; [0037] [fig.6] schématise une possibilité d'assemblage en série de plusieurs actionneurs fluidiques conformes à celui de la figure 3 ; [0038] [fig.7] est une vue de dessus partielle en perspective d'une portion de la pale sur laquelle est disposé l'actionneur fluidique de la figure 3 ; [0039] [fig.8] est une vue de côté de la portion de pale de la figure 7 ; [0040] [fig.9] est un schéma présentant la portance en fonction de l'angle d'incidence lorsqu'un actionneur fluidique agit (ligne discontinue) sur le bord d'attaque de la pale ; [0041] [fig.10] est un schéma présentant la portance en fonction de l'angle d'incidence lorsqu'un actionneur fluidique agit (ligne discontinue) sur le bord de fuite de la pale ; [0042] [fig.1 1] est un schéma présentant la portance en fonction de l'angle d'incidence lorsque des actionneurs fluidiques agissent (ligne discontinue) à la fois sur le bord de fuite et sur le bord d'attaque de la pale. Description de mode(s) de réalisation [0043] En se référant aux figures 1, 2 à 5 montrant un exemple de réalisation, la pale 1 de rotor d'éolienne selon la présente invention comporte, apposé longitudinalement le long du bord de fuite de ladite pale, un actionneur fluidique 2 dont les détails sont visibles dans l'agrandissement sur la droite de la figure I. [0044] Cet actionneur fluidique 2 de forme allongée comporte à sa surface des orifices 3 pour le passage d'air qui vont être décrits plus en détail ci-après. [0045] L'actionneur fluidique 2 est, dans l'exemple présenté, un actionneur actif, à jets d'air pulsés ou continus comprenant un canal central 4 formant réservoir d'air de diamètre D et de longueur L. Ce canal central 4 se divise, dans sa partie supérieure, en une multiplicité de canaux 6 latéraux, ici de sortie d'air, débouchant à l'extérieur par des orifices 3. Les orifices 3 peuvent présenter différentes formes, en particulier selon leur position sur la pale : c'est-à-dire les orifices 3 peuvent par exemple se présenter sous la forme de fentes lorsque l'actionneur est disposé le long du bord de fuite ou sous la forme d'orifices ronds lorsque l'actionneur est disposé près du bord d'attaque. Ces orifices 3 sont espacés entre eux d'une distance I. [0046] La distance e entre le canal central 4 et la surface extérieure de l'actionneur, cor- respondant à la longueur des canaux latéraux, est avantageusement d'au moins deux fois le diamètre ou la longueur de fente de l'ouverture de l'orifice 3. [0047] Une courbure de rayon r, ou un chanfrein, peut être prévu (e) entre le canal central 4 et les canaux 6 latéraux, afin de faciliter l'écoulement de l'air (en particulier : pour 6 éviter les décollements de l'écoulement dans le canal latéral de sortie et ainsi éviter le bouchage des orifices de sortie d'air). [0048] Ainsi l'air comprimé est introduit, sous une pression PO, dans l'actionneur fluidique 2 par les canaux 9 d'entrée d'air en direction du canal central 4 ; cet air comprimé permet alors la sortie de jets d'air de vitesse v par les différents orifices 3. Des valves 5 sont avantageusement placées aux extrémités du canal central 4 afin d'obturer ou de moduler la quantité d'air fournie. Cet air comprimé peut être alimenté par un compresseur. [0049] La ou les valves 5 mise(s) en oeuvre peuvent être avantageusement actionnées selon une fréquence de pulsation capable de produire des jets pulsés à une fréquence donnée. Le débit d'air émis par l'actionneur fluidique est un paramètre important qui dépendra notamment du nombre de Reynolds de l'air environnant. [0050] Le trajet parcouru par l'air entre le canal central 4 et l'orifice 3 de sortie (c'est-à-dire la distance c) ainsi que la forme de l'orifice 3 peuvent être différents en fonction de la position souhaitée de l'actionneur fluidique 2 sur la surface de l'enveloppe de la pale 1. Par exemple, le long du bord de fuite, l'air doit avantageusement être tangent à la surface aérodynamique et de préférence être guidé de l'intrados vers l'extrados pour une augmentation de la portance de la pale et de l'extrados vers l'intrados pour une diminution de la portance de la pale. [0051] L'actionneur fluidique 2 peut, selon un mode de réalisation, présenter une base 7 plane et une face supérieure 8 bombée comme schématisé sur les figures 3 et 5, les orifices 3 étant ménagés dans la face supérieure 8 bombée. [0052] Selon une première variante, l'actionneur fluidique peut se présenter sous la forme d'un cylindre, les orifices 3 étant ménagés selon au moins une des génératrices dudit cylindre. [0053] Selon une deuxième variante, l'actionneur fluidique peut présenter une face inférieure bombée et une face opposée supérieure plane dans laquelle sont ménagées les orifices 3 de manière à ce que la face supérieure affleure la surface de l'enveloppe de la pale 1, comme visible sur les figures 7 et 8, en étant logée dans une rainure 11 à fond concave arrondi de l'enveloppe de la pale I. [0054] Dans l'une ou l'autre des variantes ci-dessus, les orifices 3 de sortie de l'air comprimé (dans l'exemple présenté) ou d'entrée de l'air (dans le cas d'une aspiration intermittente ou continue) peuvent être alignés ou non. [0055] Enfin plusieurs actionneurs fluidiques 2 peuvent être assemblés en série soit au moyen d'éléments de raccordement (non représentés), soit en comportant des extrémités à emboîtement de type mâle (9A)/femelle(9B) (voir figure 6) de manière à équiper l'ensemble de la pale (corde et/ou envergure). [0056] L'incorporation à la surface de la pale, dans des rainures ménagées dans la paroi 7 d'enveloppe de ladite pale, des actionneurs fluidiques selon l'invention, permet de ne pas créer de traînée supplémentaire lorsqu'ils ne sont pas actionnés. Lorsqu'ils entrent en action, ils permettent de moduler la portance en prenant en compte les fluctuations de vent en amont du rotor de la pale de l'éolienne. Ils peuvent être intégrés dans une boucle d'asservissement avec, par exemple, un capteur tel qu'un pcnon électronique détectant en permanence le régime du vent. [0057] Ces actionneurs fluidiques actifs couplés à un tel capteur peuvent ainsi répondre très rapidement sur des échelles de temps pouvant aller de la minute à la milliscconde et agir sur une large bande de fréquence. Ces actionneurs fluidiques de petites dimensions (par exemple de largeur et hauteur de quelques millimètres et de longueur pouvant atteindre plusieurs dizaines de centimètres) sont facilement intégrables à la surface de pales existantes. Réalisés en matériau polymère ou composite, ce sont des dispositifs robustes. Ils peuvent être placés à tout endroit stratégique de la surface de la pale et peuvent être déplacés en fonction des exigences et de la situation de l'éolienne. [0058] Plus particulièrement, en fonction de l'orientation des jets pulsés ou continus et de la position des orifices, il est possible, en faisant agir les actionneurs fluidiques 2 sur le bord d'attaque de la pale, de retarder le point de décollement ou décrochage (voir figure 9 - flèche R) ou lorsque les actionneurs agissent sur le bord de fuite d'augmenter la portance (voir figure 10- flèche A). [0059] Enfin les avantages de l'augmentation de la portance et du retard au décrochage peuvent se cumuler lorsque ces actionneurs fluidiques agissent à la fois sur le bord d'attaque et surie bord de fuite de la pale (voir figure 11). [0060] Les effets des actionneurs fluidiques actifs selon l'invention permettent ainsi d'améliorer à tout moment les conditions de fonctionnement de l'éolienne et donc de contribuer à l'optimisation de son rendement énergétique et à l'allongement de sa durée de vie. [0061] De plus ces actionneurs fluidiques actifs montés sur la pale d'éolienne, contribuent à une diminution du bruit avec une amélioration et/ou une meilleure maîtrise des phénomènes aérodynamiques à la surface de la pale : notamment une atténuation des effets de sillage et de l'interaction de la couche limite collée ou décollée au bord de fuite ou au bord d'attaque avec le sillage ou l'écoulement incident à la pale. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Pale (I) de rotor d'éolienne, ladite pale étant formée d'une enveloppe longitudinale présentant un bord d'attaque et un bord dc fuite et comportant des moyens de modification des performances aérodynamiques dc ladite pale, caractérisée en ce que lesdits moyens dc modification des performances aérodynamiques comprennent au moins un actionneur fluidique (2) à jets d'air pulsés ou continus et/ou à aspiration intermittente ou continue disposé à la surface extérieure de l'enveloppe de la pale. [Revendication 2] Pale (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'actionneur fluidique (2) présente un corps tubulaire allongé comprenant une base solidaire de la surface extérieure de l'enveloppe de la pale et une paroi opposée à ladite base, entre lesquelles est disposé au moins un canal central (4) longitudinal, pouvant former réservoir d'air, connecté à une pluralité d'orifices (3) débouchant à l'extérieur du dit corps et de l'enveloppe de la pale. [Revendication 3] Pale (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le canal central (4) de l'actionneur fluidique (2) comporte des extrémités équipées de moyens d'obturation dynamiques et connectées à un compresseur d'air alimentant en air comprimé ledit canal central ou connectées à un dispositif de pompage aspirant l'air du dit canal central (4). [Revendication 4] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que le ou les actionneur(s) fluidique(s) sont disposés longitudinalement le long d'une position de la corde de la pale, de préférence le long du bord d'attaque et/ou le long du bord de fuite de la pale. [Revendication 5] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les orifices (3) débouchant à l'extérieur dudit corps de l'actionneur fluidique (2) présentent une Ruine circulaire ou une forme allongée. [Revendication 6] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que chaque actionneur fluidique (2) est connecté à un dispositif de commande de l'ouverture et/ou la fermeture des dispositifs d'obturation dynamiques, de préférence selon une fréquence donnée. [Revendication 7] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs actionneurs fluidiques (2) 9 montés en série. [Revendication 8] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que le ou les actionneur(s) fluidique(s) (2) sont logés dans des rainures (11) ménagées à la surface de l'enveloppe de la pale, la paroi extérieure du corps du ou des actionneur(s) fluidique(s) (2) affleurant à la surface extérieure dc ladite enveloppe de la pale. [Revendication 9] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le dispositif de commande du ou des actionneur(s) fluidique(s) (2) est relié à un dispositif, tel qu'un pcnon électronique, un capteur dc pression, un capteur de décrochement, un anémomètre ou un lidar, de détermination du régime d'écoulement dc l'air autour de la pale conditionnant le débit d'air en sortie ou entrée des orifices du ou des actionneur(s) fluidique(s) (2). [Revendication 10] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que le ou les actionneur(s) fluidique(s) (2) est(sont) solidarisé(s) par collage à l'enveloppe de la pale. [Revendication 11] Pale (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que le ou les actionneur(s) fluidique(s) (2) est(sont) en matériau non-ferreux, de préférence en matériau polymère ou composite. [Revendication 12] Utilisation de pale(s) conforme(s) à l'une quelconque des revendications précédentes dans un procédé d'amélioration des performances aérodynamiques d'une éolienne permettant, par commande du débit d'air des jets d'air pulsés ou continus et/ou de l'aspiration intermittente ou continue du ou des actionneur(s) fluidique(s) (2) de ladite pale (1), de diminuer ou d'augmenter la portance de ladite pale. [Revendication 13] Utilisation de pale(s) conforme(s) à l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans un procédé d'amélioration des performances aérody- namiques d'une éolienne permettant, par commande du débit d'air des jets d'air pulsés ou continus et/ou de l'aspiration intermittente ou continue du ou des actionneur(s) fluidique(s) (2) de ladite pale (1), de moduler la portance de ladite pale, à tout moment.