Didacticiel : concevoir une turbine hydrolienne avec Heliciel

Concevoir une turbine hydrolienne avec Heliciel, c'est partir d'un modèle d'hélice de captage d'eau, vérifier son point de design, puis surveiller sa vitesse d'emballement et sa cavitation. Nous étudions ici l'hydrolienne SeaGen par défaut : un rotor de 16 m de diamètre dans un courant de 2,4 m/s, qui tourne à 18,2 tr/min et fournit environ 0,78 MW à l'arbre. La spécificité des hydroliennes tient à la maîtrise de la cavitation : nous verrons comment la visualiser. Rédacteur : JF Iglesias (développeur d'Heliciel).

Au sommaire :

• Hydrolienne et turbine Kaplan : quelle différence
• Ouvrir le modèle de l'hydrolienne SeaGen
• Point de design et géométrie des pales
• Modèle 3D et puissance à l'arbre de l'hydrolienne
• Point de fonctionnement, point de design et vitesse d'emballement
• Risque de cavitation d'une hydrolienne

1 : Hydrolienne et turbine Kaplan : quelle différence

Nous abordons ici la conception d'une turbine hydrolienne en eau libre avec Heliciel. La turbine hydrolienne diffère de la turbine hydraulique de type Kaplan par un point : elle n'est pas en conduite forcée. L'étude de la turbine Kaplan en conduite forcée est détaillée dans les didacticiels et pages traitant des centrales hydrauliques.

• Pour des informations générales sur les hydroliennes, lisez aussi l'article hydroliennes et turbines.
• Les hydroliennes sont de même nature que les éoliennes. Nous vous conseillons donc de consulter d'abord le didacticiel pour construire l'hélice d'une éolienne, afin de maîtriser la notion préalable de vitesse de rotation et de point de fonctionnement optimum d'un rotor de captage d'énergie.

La spécificité des hydroliennes tient principalement à la maîtrise des problèmes de cavitation. Nous allons donc voir comment gérer et visualiser la cavitation de notre hydrolienne.

2 : Ouvrir le modèle de l'hydrolienne SeaGen

Pour commencer, ouvrons un modèle d'hélice de type captage avec le menu Fichier : Nouveau projet (à partir d'un modèle), puis « Hélice de captage d'eau (turbine hélice, hydrolienne) ».

Fichier > Nouveau projet (à partir d'un modèle) : la ligne « Hélice de captage d'eau (turbine hélice, hydrolienne) » est sélectionnée.

Le projet d'hydrolienne proposé par défaut est une étude d'hydrolienne SeaGen de 16 m de diamètre dans un courant de fluide de 2,4 m/s. Nous utilisons cette hydrolienne pour notre étude de cas :

• diamètre du rotor : 16 m ;
• vitesse du fluide au point de design : 2,4 m/s.

L'hydrolienne SeaGen, dont Heliciel propose le modèle par défaut.

Plan de l'installation : un mât central et une traverse qui porte deux rotors.

3 : Point de design et géométrie des pales

Le point de fonctionnement pour lequel la géométrie de ce modèle a été optimisé, le « point de design », est visible dans l'onglet 1.3 Point de fonctionnement :

• vitesse du fluide : 2,4 m/s ;
• vitesse de rotation : 18,2 tr/min (rpm).

Les paramètres dimensionnels de la pale sont visibles dans l'onglet 2.1 Dimensions pale :

• le rotor mesure 16 m de diamètre, donc le rayon en bout de pale est de 8 000 mm ;
• le rayon au pied de pale est estimé à 17 % du rayon, soit 1 360 mm ;
• la corde au pied de pale est estimée à 2 000 mm ;
• la corde en bout de pale est estimée à 1 000 mm ;
• la répartition des cordes intermédiaires suit l'équation Corde = (2,510035E-05) × r² + (−0,3855419) × r + 2 477,912, avec r le rayon en millimètres.

Dans l'onglet 2.2 Loi de profils, le profil constant est le naca643418.

4 : Modèle 3D et puissance à l'arbre de l'hydrolienne

Affichons le modèle 3D de cette hydrolienne. La vidéo ci-dessous le présente.

La puissance à l'arbre est d'environ 0,78 MW. Cette hydrolienne est annoncée pour une puissance de 1,2 MW avec deux rotors. Prenons notre modèle : 0,78 × 2 = 1,56 MW à l'arbre. En appliquant un rendement de 0,77 pour la démultiplication et la génératrice, nous retombons sur les données du fabricant.

5 : Point de fonctionnement, point de design et vitesse d'emballement

Ces deux notions doivent être différenciées.

• Le point de fonctionnement est, pour une vitesse de fluide donnée, la vitesse de rotation réelle de l'hydrolienne. Cette vitesse dépend de l'équilibre entre le couple produit par le rotor et le couple résistant de la génératrice et des divers organes. Si le couple résistant est inférieur au couple du rotor, l'hélice tourne plus vite, jusqu'à ce que son couple égale le couple résistant. Si le couple résistant est nul (boîte de vitesses brisée, génératrice sans charge…), la vitesse de rotation augmente jusqu'à la vitesse d'emballement, celle où le rotor produit un couple nul ou négatif.
• Le point de design est la combinaison vitesse de rotation et vitesse du fluide pour laquelle le vrillage des pales a été optimisé. Toute autre vitesse de rotation ou de fluide produit des rendements inférieurs.

Pour connaître la vitesse d'emballement avec Heliciel, nous utilisons l'analyse multiple (onglet Optimiser) et lançons une analyse multipoint « hors design » avec, pour paramètre variant, la « vitesse de rotation ». Heliciel trace alors la courbe du couple et de la poussée en fonction de la vitesse de rotation. Sur cette capture, la plage testée va de 10 à 40 tr/min en 16 points.

Analyse multiple hors design, paramètre variant « vitesse de rotation » de 10 à 40 tr/min : le couple de l'hélice (courbe descendante) s'annule vers la droite du graphique, entre 36 et 40 tr/min.

Nous voyons que notre hydrolienne possède une vitesse d'emballement d'environ 37 tr/min, environ le double de sa vitesse de design (18,2 tr/min), et qu'à cette vitesse la poussée est d'environ 750 000 N. Espérons que les ingénieurs ont pris en compte la tenue du support dans ce cas de figure.

6 : Risque de cavitation d'une hydrolienne

Les pressions affichées dans la zone de résultats sont données pour chaque zone de pale. Elles sont calculées de trois manières différentes :

• une pression moyenne, qui correspond à la portance répartie sur la totalité de l'extrados ;
• une pression concentrée, calculée sur la zone comprise entre le point de portance et le bord d'attaque ;
• une pression de traînée, calculée d'après la traînée projetée sur le maître-couple de l'élément.

Cela nous permet de distinguer trois types de cavitation (voir la page sur la cavitation des hélices et des hydrofoils). Le seuil de cavitation est marqué par une ligne rouge.

Onglet Pressions des résultats : trois séries de barres, une par type de pression, élément de pale par élément de pale. Le seuil de cavitation (pression statique plus pression de vapeur saturante, ici 474 433 Pa) est la ligne du haut, et la profondeur d'immersion de l'axe de l'hélice (37 m) se modifie en cliquant sur le bouton du bas.

Un autre moyen de visualiser les pressions consiste à colorer la pale selon un code couleur de pression, avec la fonction « Montrer/Cacher la pression en surface pour tous les éléments et afficher dans modèle 3D ».

Prototype 3D : la pale est colorée selon la pression absolue (échelle de couleurs à gauche, avec la valeur de cavitation en titre), et le menu de la barre d'outils propose de montrer ou cacher cette pression.

Pour aller plus loin, nous pouvons revenir au didacticiel de l'hélice d'éolienne, où la recherche de la vitesse de rotation optimum est détaillée.

Voilà pour ce petit didacticiel sur la conception du rotor des hydroliennes avec Heliciel. Il devrait vous mettre sur la bonne voie pour créer des hydroliennes, ou des récupérateurs d'énergie embarqués sur des voiliers, par exemple.