L'hélice creuse avec Supaero

L'hélice de notre prototype d'éolienne à dépression a été construite à Supaero, par l'intermédiaire d'un projet d'initiation recherche de 2e année. De septembre 2009 à juin 2010, 4 élèves extrêmement motivés se sont attelés à la tache de concevoir ce rotor d'éolienne à dépression. Deux techniciens principaux ont assuré la réalisation (composite et mécanique), et deux personnes encadraient les élèves. Nicolas Andreau portait le projet à plein temps.

Les choix généraux

Nous avons choisi une hélice d'1m50 de diamètre, ce qui peut sembler faible, mais se justifie par les trois points suivants:

- Nous voulions passer cette hélice en soufflerie, et la plus grande soufflerie accessible (soufflerie S4 de l'Ensica) mesurait 2 mètres par 3.

- Pour des raisons de coûts et de délais, il ne fallait pas voir trop grand.

- Enfin ce prototype a vocation à démontrer le fonctionnement général, et il peut servir à extrapoler les résultats à des plus grandes tailles, une fois maîtrisés les phénomènes physiques en jeu.

Le dessin des pales

Nous somme partis d'un plan de pale d'éolienne à dépression de 4m50 de diamètre, dessiné par Jean Andreau  en 1952, et utilisant des profils Naca16 d'épaisseur décroissante, une corde constante, une flèche constante, et un vrillage spécifique prenant en compte les phénomènes de sillage identifiés par l'inventeur. La problématique de conception est différent de l'éolien habituel, du fait que de l'air circule dans les pales, et doive s'en échapper à l'extrémité. Nous avons jugé opportun de prendre ce plan pour base, n'ayant ni le temps ni les moyens de mener une étude complète de profil-épaisseur-corde-flèche-vrillage-sortie d'air. Le compromis interne/externe à atteindre, d'un point de vue aérodynamique, est extrêmement pointu. L'approche théorique de Jean Andreau était maîtrisée, grâce aux documents conservés, mais la méconnaissance des polaires Naca16 aux bas reynolds nous empêchaient de mener le calcul. Il aurait fallu une campagne soufflerie supplémentaire.

Nous avons donc appliqué un facteur 1/3 sur le plan de pale 4m50. Ce n'est pas tout à fait rigoureux, car le frottement relatif dans l'air d'une petite hélice est plus important qu'une grande, le Reynolds étant plus faible. Un calcul de pale doit en tenir compte mais l'échelle 1/3 reste raisonnable, et il est peu vraisemblable que le résultat soit grandement modifié. Nous nous sommes donnés tout de même un degré de liberté : le calage est réglable avec un débattement de +-8deg. Il faudra trouver en plein air le calage de pale qui nous donnera le TSR le plus élevé possible pour avoir une aspiration maximale. Ce TSR sera vraisemblablement autour de 7-8.

L'éjection de l'air en bout de pale est tangentielle vers l'arrière. Bien entendu l'air sort vers l'arrière avec une vitesse relative plus faible que la vitesse absolue de la pale, de sorte que l'éjection de l'air constitue bien un couple résistant  pour l'hélice, ce qui est naturel si on souhaite lui prendre de l'énergie. La buse de sortie d'air a été longuement étudiée par Jean Andreau., qui  en a testé plusieurs. La marge d'optimisation de cette sortie d'air est encore inconnue sur le rendement global, mais elle sera étudiée prochainement à Supaero.

La fabrication des pales

Les pales ont été réalisées au labo composite de Supaero par Guy Mirabel, en fibre de carbone. Elles ont été moulées chacune en deux partie à partir de deux master, un extrados et un intrados. Les parties ont été assemblées avec de la colle et de la fibre.

Les master ont été réalisés par découpe au fil chaud de 10 tronçons extrados/intrados en mousse, collés sur une planchette vrillée, et recouvertes de fibre. Les découpes au fil chaud étaient informatisées et prenaient des DXF Catia.

Une centaine d'heure de travail a abouti à l'obtention de trois pales en fibre de carbone de poids respectif 270.0g, 270.3g et 270.2g. Magnifique précision !

Le moyeu et la mécanique

La "nacelle" ou moyeu ou tête d'éolienne, a été modifiée par rapport aux plans de 1952. En effet nous avons fait l'impasse sur le calage variable en fonctionnement, ce qui simplifiait grandement l'approche. Cette nacelle est constituée d'un coude creux à 90 degrés en acier inox, prolongé d'une colerette en aluminium. Une étoile métallique soutient l'axe fixe en acier, qui traverse par ailleurs le coude. La partie rotorique est constituée d'un moyeu tournant en acier qui entoure l'axe fixe, et dans lequel sont vissés 3 tourillons.

Les pales viennent se visser sur les tourillons. Un capotage, réalisé en fil fondu, assure le guidage de l'air vers les 3 pales, et la forme d'ogive. Enfin un labyrinthe sans frottement assure l'étanchéité à l'air entre rotor et stator. Patrick Morel (au premier plan sur la photo) a réalisé les différentes pièces et le montage mécanique. La fixation des pales a été réalisée avec Guy Mirabel (au second plan).

Les seules pièces qui ont été achetées dans le commerce sont : le labyrinthe (pièce noire), le coude métallique et les roulements.

La photo de groupe

Sur la photo de groupe ci-dessus, en numérotant de gauche à droite puis de haut en bas:

• Les élèves : Laurent-David Hostyn (11), Frédéric Bettens (12), Ludovic Nogues (14) et Xavier Falière (15).
• Le porteur de projet : Nicolas Andreau (13)
• Les encadrants : Paul-Claude Dufour (9) et Alain Strzelecki (8).
• Les maîtres d'oeuvre : Guy Mirabel au composite (5), et Patrick Morel à la mécanique (4).
• L'équipe soufflerie qui nous a reçu en juin : (1,2,3 et 10)
• Notre aide Catia et usinage (6), et notre aide découpe au fil chaud pour les pales (7)
• A noter l'absence sur la photo de Sylvain Masseboeuf qui par son organisation et ses conseils techniques a grandement contribué au bon déroulement du projet.
• Absence également de Rémy Chanton, qui nous a prêté main forte sur les aspects touchant à l'électronique de mesure.