Didacticiel : concevoir une hydrolienne de rivière de 900 mm avec Heliciel

Le propriétaire d'un ancien moulin dispose d'un bief au courant régulier et souhaite y immerger une hydrolienne pour alimenter son habitation. Ses données de site, collectées avant l'étude :

• Vitesse du courant : 2,5 m/s au centre du bief (mesurée au moulinet hydrométrique en étiage moyen) ; jusqu'à 3,5 m/s en crue ;
• Profondeur utile : 1,5 m → rotor limité à Ø 900 mm pour garder du jeu au fond et en surface, axe immergé à 0,75 m ;
• Eau douce à 12 °C ;
• 3 pales, transmission par multiplicateur vers une génératrice.

Ce didacticiel est le jumeau « eau » du didacticiel éolienne domestique : même démarche, mais un fluide 830 fois plus dense — et un phénomène nouveau à surveiller, la cavitation.

• Organisation et phases de conception :

1. Partir du modèle hydrolienne et l'adapter au site
2. Premier point de design… et diagnostic d'un régime inadapté
3. Régime optimum et point de design retenu
4. Contrôle de cavitation
5. Courbe de puissance selon le courant, et cavitation en crue
6. Bilan et modèle à télécharger

1 : Partir du modèle hydrolienne : le modèle « hydrolienne » livré avec Heliciel est une machine marémotrice de 16 mètres à 2 pales en eau de mer — rien à voir avec notre rivière, et c'est voulu : ce didacticiel montre justement comment ADAPTER un modèle à son projet.

Les adaptations, dans l'ordre :

• fluide : éditeur de fluides, « eau H2O » à 12 °C → masse volumique 999,43 kg/m³, pression de vapeur saturante 1 520 Pa (cette valeur servira au calcul de cavitation) ;
• diamètre : 900 mm — Heliciel remet à l'échelle toutes les cordes par homothétie (140,6 mm au pied, 28,1 mm en bout) ;
• immersion : 0,75 m → pression statique à l'axe 107 353 Pa (atmosphère + colonne d'eau), affichée avec le nombre de cavitation disponible σ = 36,8 ;
• 3 pales au lieu de 2.

2 : Premier point de design… et diagnostic : nous reconstruisons le vrillage à 2,5 m/s en gardant le régime hérité du modèle : 18,2 tr/min (celui de la machine de 16 m !). Verdict sans appel :

• Cp = 0,024 — 4 % de Betz, puissance dérisoire de 116 W ;
• vitesse spécifique λ = 0,34 : les pales sont quasi immobiles par rapport au courant, calées à plus de 80° ;
• Heliciel lève 7 avertissements.

La leçon : un régime de rotation ne se transpose jamais d'une machine à l'autre. La vitesse spécifique λ (vitesse de bout de pale / vitesse du fluide) est la grandeur qui se conserve, pas les tours/minute : notre petit rotor doit tourner beaucoup plus vite que la machine de 16 m pour travailler au même λ.

3 : Régime optimum : la recherche automatique du rendement optimum (onglet « 3 : Optimiser ») trouve 250 tr/min, Cp = 0,565 et 2 725 W… mais signale deux imprécisions « inversion de vitesse axiale aval » sur les éléments 2 et 3 : à ce chargement, la vitesse de l'eau derrière le rotor tombe quasiment à zéro — le calcul flirte avec la limite physique d'extraction, et les performances peuvent être surestimées. Plutôt que d'afficher un chiffre flatteur mais fragile, nous reculons d'un cran : 220 tr/min.

• Cp = 0,540 (91 % de Betz), aucune erreur ni avertissement ;
• puissance à l'arbre : 2 607 W — à comparer aux 514 W de l'éolienne de 3 m : 5 fois plus de puissance avec 11 fois moins de surface balayée, voilà ce que change la masse volumique de l'eau ;
• couple : 113 N·m à 220 tr/min ;
• traînée axiale : 1 866 N (190 kgf !) — le châssis et l'ancrage dans le bief doivent encaisser cet effort en permanence ;
• vitesse spécifique λ = 4,15.

4 : Contrôle de cavitation : dans l'eau, une dépression trop forte sur l'extrados fait bouillir l'eau à froid : bulles, érosion des pales, chute de portance. Heliciel calcule pour chaque élément de pale le nombre de cavitation σ et la dépression critique (105 833 Pa ici). Au point de fonctionnement nominal (2,5 m/s, 220 tr/min, axe à 0,75 m) :

• aucune cavitation détectée : σ décroît du pied (11,5) au bout de pale (1,86), qui reste au-dessus du seuil critique.

5 : Courbe de puissance selon le courant… et la crue : balayage de la vitesse d'eau de 1 à 3,5 m/s en mode « Hors design » (notre pale est figée !) à λ constant = 4,147 (le multiplicateur + MPPT maintient le rotor à son meilleur rendement) :

Et en crue ? Nous relançons l'analyse de cavitation à 3,5 m/s et 308 tr/min : cette fois Heliciel détecte la cavitation en bout de pale (élément 5, σ = 0,95 sous le seuil). La traînée d'ancrage grimpe à 3 672 N. Conclusion d'exploitation : en crue, il faudra brider le régime (on sort du λ optimum, volontairement) ou relever la machine — le tableau ci-dessus et le calcul de cavitation donnent tous les chiffres pour régler cette protection.

6 : Bilan et modèle à télécharger

• Hydrolienne 3 pales Ø 900 mm, eau douce 12 °C, axe immergé à 0,75 m ;
• point de design 2,5 m/s / 220 tr/min : Cp 0,540, 2 607 W à l'arbre, couple 113 N·m ;
• sans cavitation au point nominal ; cavitation en bout de pale dès 3,5 m/s à λ constant → bridage en crue ;
• effort d'ancrage : 1 866 N en nominal, 3 672 N en crue.

La maquette 3D de l'hydrolienne finale, rendue par Heliciel :

Le projet complet est téléchargeable ici : hydrolienne_riviere_900mm.hlc (à ouvrir avec Heliciel). Il est également intégré aux modèles livrés avec le logiciel.

Les performances calculées sont théoriques (surfaces lisses, polaires XFoil) : prévoyez les marges d'usage et des essais prudents. Attention aussi aux obligations réglementaires avant toute implantation en cours d'eau.

Je reste à votre disposition pour toutes remarques ou compléments d'information via contact@heliciel.com

• JF Iglesias développeur Heliciel.

Pour voir le courant ralentir derrière le rotor et lire les efforts sur la structure, lisez le cas concret hydrolienne CFD : un rotor de 16 m simulé de bout en bout.