Note technique eolienne cp97

Note technique

Version Auteur Date Observation

V1.0 Groupe 27/03/2016 Création de la note technique

V1.1 Groupe 29/03/2016 1er révision : mise à jour des calculs de roulement, du rapport de réduction. Calcul de la section de l’arbre du

rotor et augmentation de la taille de pales. Prévoir l’utilisation d’une génératrice de 1000 W

V1.2 Groupe 19/04/2016 Ajout du dimensionnement arbre rotor, du choix de roulement rotor et du choix de train épicycloïdal

V1.3 Groupe 12/06/2016 Mise à jour de la note technique

CP97 – Ingénierie mécanique avancée P2016

Eolienne Darrieus

Jean Albouy Alain Feriaux

Zyad Hamani Sven Poncet

Sommaire

Introduction ........................................................................................................................................................ 1

Présentation de l'éolienne Darrieus .................................................................................................................... 2

Cahier des charges .............................................................................................................................................. 4

SCHEMA CINEMATIQUE ...................................................................................................................................... 4

Détermination du nombre de pales .................................................................................................................... 5

Généralités...................................................................................................................................................... 5

Dynamique ...................................................................................................................................................... 6

Efforts ............................................................................................................................................................. 6

Profil des pales ................................................................................................................................................ 6

Largeur des pales ............................................................................................................................................ 7

Etude théorique – Calculs des données du problème .......................................................................................... 7

La force du vent .............................................................................................................................................. 8

La portance ..................................................................................................................................................... 8

La trainée ........................................................................................................................................................ 8

La finesse ........................................................................................................................................................ 9

Le profil des pales ........................................................................................................................................... 9

Vitesses de pales ........................................................................................................................................... 10

Choix de l'alternateur : ...................................................................................................................................... 13

La MAS (machine asynchrone) : .................................................................................................................... 13

La MS (machine synchrone) :......................................................................................................................... 13

Choix des roulements ....................................................................................................................................... 15

Choix du type de roulement .......................................................................................................................... 16

Choix du roulement....................................................................................................................................... 16

Dimensionnement de l’arbre rotor ............................................................................................................ 18

Choix du train epicycloïdal ......................................................................................................................... 20

Choix des roulements du train epicycloidal : ................................................................................................. 22

Piece du commerce ........................................................................................................................................... 23

Clavette demultiplicateur : ............................................................................................................................ 23

Roue dentée ................................................................................................................................................. 24

Justification du modèle CAO : Rotor .................................................................................................................. 26

Pales (1) ........................................................................................................................................................ 26

Tube carbone (2) ........................................................................................................................................... 26

Liaison carbone haut et bas (3)...................................................................................................................... 26

Cylindre Recouvrement (4) ............................................................................................................................ 27

Axe (5)........................................................................................................................................................... 27

Conclusion ....................................................................................................................................................... 28

CP97 Projet Eolienne Darrieus P2016

1

INTRODUCTION

Notre projet de CP97 a pour objectif la conception d’une éolienne verticale de type Darrieus,

adapté à la toiture d’un particulier.

Puisque ce projet n’a pas d’antécédents, il s’agira dans un premier temps de « concevoir »

plutôt que « d’optimiser ». Nous allons devoir concevoir de A à Z une éolienne en partant

comme données initiales le diamètre du rotor et la hauteur de l’éolienne.

Nous allons mettre en place une étude théorique d’éolienne afin de dimensionner notre

produit tout en assurant le meilleur compromis entre légèreté, robustesse et coût.

Après une rapide description du principe de fonctionnement des éoliennes Darrieus, nous

évoquerons dans cette note technique notre cahier des charges, la détermination de nos

données d’entrée, l’étude des pales, du système de réduction et des engrenages, aboutissant

ainsi à un pré- dimensionnement de nos éléments.

Cette note technique doit donc nous donner les bases de notre dimensionnement. Dans un

second temps, après avoir abouti sur une première architecture CAO, nous optimiserons le

système afin de pouvoir déterminer les bonnes épaisseurs de pièces, et les bons matériaux.


2

PRESENTATION DE L'EOLIENNE DARRIEUS

Le principe est celui d’un rotor d’axe vertical qui tourne au centre d’un stator à ailettes.

Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents

supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction.

Le principal défaut de ce type d’éolienne est leur démarrage difficile, en effet le poids du rotor pèse sur

son socle, générant des frottements.

On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux

profils disposés de part et d’autre de l’axe - jusqu’au rotor parabolique où les profils sont recourbés en

troposkine et fixés au sommet et à la base de l’axe vertical.

Avantages :

Génératrice pouvant placée au sol (selon les modèles)

Moins d’encombrement qu’une éolienne "conventionnelle"

Intégrable au bâtiment

Inconvénients :

Démarrage difficile par rapport à l' éolienne de type Savonius

Faible rendement


3

Pour combler le problème de démarrage : plusieurs pistes sont possibles et notamment de :

Utiliser la génératrice comme moteur

Intégrer une éolienne de type savonius

Le fonctionnement est basé sur le fait qu'un profil placé dans un écoulement d'air selon différents angles

est soumis à des forces d'intensités et de directions variables (traînée et portance). Ceci explique qu'une

étude doit être réalisée sur le profil utilisé afin d'obtenir le rendement maximum. La combinaison de ces

forces sur les divers profils du rotor génère alors un couple moteur. En fait, les différents angles auxquels

sont soumis les profils, proviennent de la combinaison de la vitesse propre de déplacement du profil (en

rotation autour de l'axe vertical) et de la vitesse du vent incident.

On se rend alors compte que certains profils génèreront une traînée plus importante que la portance et

se sera l'inverse pour d'autres. La traînée empêchera la rotation alors que la portance la favorisera. De

plus, la combinaison entre le vent incident et la rotation donne un vent relatif sur les profils supérieur

au vent incident. Au final, la force de portance globale est supérieure à la force de traînée entraînant

ainsi le rotor.


4

CAHIER DES CHARGES

L’éolienne que nous allons concevoir doit répondre à certaines exigences en vue de l’utilisation et du

milieu d’exposition. Le cahier des charges impose donc des contraintes liées à :

- La légèreté : le produit doit être le plus léger possible

- La robustesse : le produit ne doit pas se déformer ou passer dans le domaine plastique

- La résistance : le produit doit résister à la fatigue, la vibration

- L’ambiance : le produit doit résister à la corrosion, à l’humidité, la grêle et aux fortes et faibles

températures.

- Le coût : le produit doit être le moins coûteux possible

- L’encombrement : L’éolienne doit tenir dans un cylindre de diamètre de 1m et de hauteur 2m.

- Le poids : le produit ne doit pas peser plus de 30 kg.

SCHEMA CINEMATIQUE

Rotor

Mât

Carter


5

DETERMINATION DU NOMBRE DE PALES

La détermination du nombre de pale de l’éolienne que nous allons concevoir dépend de nombreux

facteurs résultants des exigences de notre cahier des charges :

- Légèreté

- Non déformable

- Homogène

- Résistante (fatigue, vibration, corrosion)

- Faible coût

D’après le cahier des charges, le 1er critère que doit assurer l’éolienne est la légèreté du mécanisme.

Cette contrainte de masse passe devant la recherche du rendement maximal, qui n’est pas le point fort

des éoliennes à axe verticale pour particulier. Néanmoins, la légèreté du système favorisera l’efficacité

de ce dernier.

L’éolienne Darrieus à axe verticale est adaptée au milieu urbain puisque le fonctionnement est

indépendant de la direction du vent. Elle est plus robuste et moins bruyante. Cependant contrairement

aux éoliennes classiques à axe horizontal, aucun modèle ne s’est imposé comme modèle étant le plus

performant. Nous allons donc chercher les informations qui pourront nous guider sur le type de

configuration à envisager selon notre besoin.

GENERALITES

En général dans l’éolien, l’utilisation de rotor à 3 pales est prédominante dans l’ensemble des machines

de moyenne et grande puissance, sur 80% des modèles. Pour le micro éolien, et les éoliennes à axe

verticale, la configuration tripale est présente également, mais il existe de nombreuses variantes avec 4

voire 8 pales ou plus.

D’un point de vue aérodynamique, il y’a un léger avantage à posséder plusieurs pales (réduction des

pertes d’extrémités). On augmente ainsi le coefficient de puissance d’environ 10% en passant de 1 à 2

pales, de 3% de 2 à 3 pales, de 1% de 3 à 4 pales etc. (le gain de puissance de 3 à 4 pales n’est pas très

intéressant).

De plus l’augmentation du nombre de pale entraine une baisse de la vitesse de rotation par perturbation

aérodynamique, une augmentation inutile de la complexité et du prix du mécanisme.

Le choix résulte d’un compromis entre l’efficacité aérodynamique du rotor, le poids, la dynamique des

structures et le prix. Ainsi une 4ème pale serait un choix désavantageux vu le peu de bénéfice de puissance

par rapport au gain de masse non négligeable.

En théorie, le nombre de pales n’influe pas directement sur le rendement. Le rendement est fonction de

la puissance motrice recueillit et dépend principalement de la vitesse de rotation en bout de pale (c’est

la Vitesse spécifique).


6

DYNAMIQUE

Dynamiquement, la configuration tripale est la plus équilibrée. Elle doit cependant accepter un

chargement cyclique plus important. Passer à un nombre de pale inférieur à 3 n’est pas non plus un

choix judicieux. Prenons le cas de l’équilibre du rotor.

La vitesse du vent augmente avec l’altitude, de ce fait la force du vent en haut de l’éolienne sera plus

importante qu’en bas. Dans le cas d’une éolienne à 2 pales, la variation de force sur le moyeu est

importante car une pale produit beaucoup et l’autre moins, obligeant la mise en place de systèmes

spécifiques.

En revanche, dans le cas d’une configuration à 3 pales (nombre impaire de pales), il y’a compensation

de ces différences et une moindre variation de puissance à chaque rotation du rotor.

EFFORTS

Concernant les efforts, La force exercée sur la structure (le mat) est proportionnelle au nombre de pales.

En effet, le vent exerce une force parallèle à la direction du vent sur chacune des pales. Cette force est

proportionnelle à la surface rencontrée par le vent, plus le nombre de pales sera important et plus cette

surface sera grande. Un grand nombre de pales nécessite l'utilisation d'une structure plus robuste et par

conséquence plus chère.

Ces différents éléments sont susceptibles de justifier le choix de la configuration tripale.

PROFIL DES PALES

Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède vue en coupe. On peut choisir

le profil en fonction du couple désiré.

Les pales des éoliennes de grande puissance sont souvent vrillées. Le vrillage de la pale est l'angle entre

la corde du profil de bout de pale et la corde du profil de pied de pale, ce vrillage permet de régler

l'angle d'incidence des profils en fonction de la variation des angles apparents perçus par les profils du

pied au bout de pale. Si l'on regarde la pale par tranches on constate que pour une même vitesse de

rotation (en rad/s)

Cependant pour la grande majorité des aérogénérateurs de faible et moyenne puissance, les pales ne

sont pas vrillées : l’angle d’incidence est optimal seulement sur une partie de la pale.

Il existe deux types de profils courants :

- Le profil traditionnel symétrique : il correspond au profil d’une aile d’avion : courbé sur un côté

et plus ou moins plat de l’autre. Ce profil offre un bon rendement, cependant le coût de

fabrication est élevé. Ce profil n’a pas de portance pour les incidences faibles et est

exclusivement utilisé pour les avions de voltige.

http://eolienne.f4jr.org/tour

http://eolienne.f4jr.org/vent


7

- Le profil cambré asymétrique : la corde de la pale est courbée. L’extrados est plus grand que

l’intrados. Le coût de fabrication est moins élevé, mais le rendement est plus faible. Cependant

ce profil est favorable à une vitesse de vol relativement faible.

Vis-à-vis de notre cahier des charges, le profil cambré offre plus de portance et semble plus adapté à

notre besoin.

LARGEUR DES PALES

La largeur des pales (longueur de la corde du profil) n’a pas d’influence sur la puissance de

l’aérogénérateur (qui est fonction de la surface balayée), mais elle influence le couple de démarrage :

plus la pale sera large, plus le couple de démarrage sera élevé. Si on veut obtenir des vitesses de rotation

élevées, on utilisera plutôt des pales fines et légères.

Dans notre cas, il faudra donc ne pas surdimensionner la largeur des pales, au risque de devoir ensuite

surdimensionner le générateur permettant d’aider le démarrage du rotor pour des vents faibles.

Il ne faut pas non plus sous-dimensionner les pales au risque de perdre en efficacité.

Nous avons donc choisi de prendre arbitrairement la largeur de la pale.

ETUDE THEORIQUE – CALCULS DES DONNEES DU PROBLEME

Pour le passage à l’étude cinématique et le dimensionnement, l’une des données dont nous avons

besoin est la force du vent.

Nos données d’entrée sont :

Données d’entrée Symbole Valeur

Vitesse moyenne du vent v 3.3 m/s

Longueur des pales L 1 m

Corde de profil c 0.2 m

Fréquence de rotation du rotor n 100 tours/min

Rayon du rotor r 0.5 m


8

LA FORCE DU VENT

La force du vent F est une force équivalente ou résultante

aérodynamique dont les composantes sont la force de

portance P et la force de trainée T.

�� = �� + ��

Comme pour une aile d’avion, la pale d’éolienne Darrieus utilise l’effet de portance.

LA PORTANCE

Cet effet est dû à l'écoulement de l'air autour du profil qui est plus rapide sur l'extrados (le dessus) que

sur l'intrados (le dessous) de l'aile, ce qui entraine une dépression sur l'extrados. Le flux d'air circule plus

rapidement sur l'extrados car la longueur à parcourir est plus importante que sous l'intrados,

l'écoulement d'air devant rester constant à l'avant et à l'arrière de la pale, l'air s'écoule donc plus

rapidement.

La portance P a pour formule :

�� = 𝑞. 𝑆. 𝐶𝑧 =1

2. 𝜌𝑎𝑖𝑟 . 𝑣𝑟

2. 𝑆. 𝐶𝑧

𝜌𝑎𝑖𝑟 : masse volumique de l’air (1.225 𝑘𝑔/𝑚3)

𝑣𝑟 : vitesse relative du vent par rapport à la pale (m/s)

S : surface de la pale (m²)

Cz : coefficient de portance, dépend du profil de la pale.

LA TRAINEE

En aérodynamique la traînée correspond à la résistance d'air, celle-ci augmente avec la surface exposée

à la direction de l'écoulement de l'air. La traînée est une force qui agit sur la pale dans la même direction

que le vent. Cette force tend à contrer le mouvement d’avancement de la pale et doit donc être la plus

faible possible. La traînée est calculée de la façon suivante :

�� = 𝑞. 𝑆. 𝐶𝑥 =1

2. 𝜌𝑎𝑖𝑟 . 𝑣𝑟

2. 𝑆. 𝐶𝑥

Cx : coefficient de trainée

http://eolienne.f4jr.org/pale


9

Nous devons maintenant trouver comment calculer les coefficients de portance et de trainée Cz et Cx.

Pour cela, nous allons nous aider de la finesse du modèle.

LA FINESSE

La finesse du profil s joue un rôle important. Elle doit être assez grande pour que la trainée n’absorbe

pas une partie trop élevée du couple moteur.

𝑠 =𝐶𝑧

𝐶𝑥

Pour maximiser le rendement d'une éolienne, il faut que la finesse soit maximale, autrement dit que la

traînée soit minimale et la portance maximale. En général l'utilisation de 3 pales fines fonctionnant à une

vitesse bien supérieure à celle du vent permet d'exploiter au maximum la portance tout en générant une

traînée la plus faible possible.

La finesse d'un profil dépend de plusieurs paramètres :

- L'angle d'attaque de la pale (c'est à dire l'angle

de la pale par rapport au vent apparent)

- La forme de la pale

Il faut donc choisir le profil de la pale pour obtenir ces

données.

LE PROFIL DES PALES

Pour notre éolienne, nous choisissons un profil biconvexe dissymétrique de type NACA 44(15/12). Pour

ce profil, l'extrados et plus grand que l'intrados car la ligne moyenne est légèrement cambrée. Ce type

de profil est favorable à une vitesse de vol relativement lente.

Chaque profil a ses caractéristiques propres, tel que l’épaisseur relative et la cambrure (en pourcentage

de la corde du profil) mais également la finesse maximale pour un angle d’incidence i donné

Ici, la finesse max vaut pour 4° d’incidence :

𝑠𝑚𝑎𝑥 = 14.27

𝐶𝑧0° = 0.146


10

Maintenant que nous savons que le rapport 𝑠𝑚𝑎𝑥 =𝐶𝑧

𝐶𝑥= 14.27 , il nous faut déterminer le Cz ou le Cx

afin de connaitre les 2 inconnues.

Pour calculer le coefficient de portance, nous allons nous baser sur la Théorie des profils minces, qui

permet de calculer la portance et la trainée.

Cette théorie pose pour hypothèse :

- Un profil mince (épaisseur relative e/L ≤ 10%) et une faible cambrure (f/L ≤ 5%)

- Ecoulement incompressible et stationnaire.

Pour un profil dissymétrique, où i est l’incidence, le coefficient de portance Cz est :

𝐶𝑧 = 2𝜋. 𝑖 + 𝐶𝑧0°

Avec i, l’angle d’incidence optimale = 4°

Application numérique : 𝑪𝒛 = 𝟎. 𝟏𝟎𝟐

D’après la finesse max, on a donc 𝑪𝒙 =𝑪𝒛

𝒔= 𝟎. 𝟎𝟕𝟏

Nous avons les coefficients de trainée et de portance pour une finesse optimale. Il reste maintenant les

vitesses à déterminer.

VITESSES DE PALES

Le vent vu par la pale est en fait une composition du vent réel et

du vent créé par le déplacement de la pale (qui varie sur toute la

longueur de la pale proportionnellement au rayon). Ce vent

résultant est appelé vent apparent ou vent relatif, la vitesse de ce

vent résultant par rapport à la pale est supérieure à la vitesse

propre de la pale.

D’après le théorème de Pythagore, la vitesse relative au carré est donnée par la somme des carrés de la

vitesse du vent et la vitesse tangentielle de la pale.

𝑣𝑟 = √𝑣2 + 𝑈²

v : vitesse du vent (m/s)

U : vitesse tangentielle du point considéré (m/s)

La vitesse du vent v est une de nos données d’entrées et vaut en moyenne 3.3 m/s.

La vitesse tangentielle se calcul de la façon suivante :

𝑈 = 2𝜋.𝑛

60. 𝑟

n : fréquence de rotation du rotor (tour/min)

r : rayon (m)


11

Selon nos données d’entrées, n = 100 tours/min et r = 0.5m

Application numérique : 𝑼 = 𝟓. 𝟐𝟑 𝒎/𝒔

On peut ainsi calculer notre vitesse relative 𝑣𝑟 pour un vent v moyen :

Application numérique : 𝒗𝒓 = 𝟔. 𝟐 𝒎/𝒔

On a ainsi toutes nos données pour calculer les efforts de portance P et de trainée T :

Application numérique : �� = 𝟗. 𝟔 𝑵 et �� = 𝟎. 𝟔 𝑵

�� = 𝟏𝟎. 𝟐 𝑵

Cette effort aérodynamique F dépend selon nos données d’entrées. La donnée la plus déterminante

pour l’obtention de cette force, est la vitesse du vent v. Ici, cet effort de 10 N est valable pour un vent

faible de 3.3 m/s. Si nous augmentons la vitesse du vent (par exemple correspondant à un vent violent),

la force F va grandement augmenter.

Nous allons donc dimensionner nos éléments afin qu’ils résistent à des forces issues de cas de charges

à vitesses plus élevées.


12

Un fichier Excel a été mis en place afin de pouvoir adapter automatiquement nos calculs, et avoir

directement de nouvelles valeurs d’efforts en fonction de nos données d’entrée.

Intitulé

Force du vent (N) F 10,260121

Portance (N) P 9,58820736

Trainée (N) T 0,67191362

Masse volumique air ro 1,225

Surface (m²) S 0,2

Longueur des pales m) L 1

Largeur pale (m) c 0,2

Vitesse relative du vent/pale (m/s) vr 6,18690373

Coefficient de portance Cz 1,02240889

Coefficient de trainé Cx 0,07164743

Cz0 0,146

Vitesse du vent (m/s) v 3,3

Vitesse tangentielle (m/s) U 5,23333333

Fréquence de rotation rotor (tr/min) n 100

Rayon rotor (m) r 0,5

Finesse du modèle (pour alpha) s 14,27

Angle d'incidence alpha (degré) i 4


13

CHOIX DE L'ALTERNATEUR :

Fonction de l’alternateur = générateur électrique : dispositif permettant de produire de l’énergie

électrique à partir de l’énergie mécanique du vent.

Alternateur = machine constituée d’un rotor (partie mobile) et d’un stator (partie fixe) générant un

courant alternatif. Il existe différents types : machine synchrone vs machine asynchrone.

LA MAS (MACHINE ASYNCHRONE) :

+ système simple et utilisé depuis longtemps

+ économique

- plus de pièces en rotation

- pertes dues au multiplicateur

- vibrations plus importantes

- bruit plus important

- usure, fuites, risque d’incendie, énergie basse qualité, perturbations réseau

LA MS (MACHINE SYNCHRONE) :

+ gain poids (pas de multiplicateur)

+ moins de pièces en rotation

+ moins de bruit, diminution de charge, augmentation durée de vie machine

+ bon rendement

+- coût des aimants ?

- besoin de conversion électrique pour fréquence constante

La MS est retenue.

Plus spécifiquement, la MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents) est fréquemment utilisée

dans le petit éolien= éolien domestique. Hors c’est bien notre cas d’étude.

La MSAP est retenue.

Stator comportant un bobinage alimenté en triphasé et produit un champ magnétique tournant à la

fréquence d’alimentation et d’un rotor où le champ magnétique est produit par des aimants permanents.

Il nous a ensuite fallu choisir un premier générateur à partir des données que nous avons : Puissance

d'environ 200W et nombre de tours en sortie de réduction de 2000tr/min. Le modèle suivant, trouvé sur

le site de maxonmotor correspond à ces données dont voici les caractéristiques :


14

Nous avons donc vérifié la compatibilité du produit avec nos données mais aussi regardé son

poids : 1.1kg ainsi que ses dimensions : Ø50mm au maximum. On en tire que ce moteur est

plutôt compact et léger ce qui est une bonne chose, de plus nous avons le Ø intérieur minimal

du mât qui est défini et égal à 50mm auquel on ajoute une sécurité pour l'intégration du dit

moteur en son sein (encore non définie pour le moment).


15

CHOIX DES ROULEMENTS

Pour choisir les roulements les plus adaptés pour notre éoliennes, nous devons calculer les efforts que

ceux-ci devront encaisser. Ainsi, nous modélisons l’ensemble {Bâti + Rotor} ainsi que tous les efforts s’y

appliquant. Pour connaître les efforts qu’encaisseront chacun des roulements nous devons donc

décomposer la liaison pivot entre le rotor et le bâti en deux liaisons rotules. Nous avons également

ajouté à ce calcul un fichier excel permettant d’ajuster le calcul suivant, en modifiant les paramètres

d’entrés notamment la force du vent.

On isole l’ensemble {Bâti + Rotor}

Bilan des Actions Mécaniques Extérieures :

Force du vent au point G : �� = −175 ��

𝐹𝑟 = 100 ��

�� = −175 ��

�� = −100 ��


16

Action de la liaison rotule de centre A : 𝐴𝑒𝑥𝑡/{𝐵â𝑡𝑖+𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟} = 𝑋𝐴 . �� + 𝑌𝐴 . ��

Action de la liaison rotule de centre B : 𝐵𝑒𝑥𝑡/{𝐵â𝑡𝑖+𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟} = 𝑋𝐵 . �� + 𝑌𝐵 . ��

Poids au point C : �� = −100 ��

Action du train épicycloïdal au point D : 𝐹𝑟 = −100 ��

On applique le Principe Fondamental de la Statique :

Résultante des forces :

o Sur �� : 𝑋𝐴 + 𝑋𝐵

+ 𝐹𝑟 − �� = 0

o Sur �� : 𝑌𝐴 + 𝑌𝐵

− �� = 0

Résultante des moments au point A :

o Sur �� : 500 �� + 54 𝐹𝑟 − 250 𝑋𝐵

= 0

Application numérique :

𝑋𝐵 = 500 . 175+54 .100

250= 371,6 𝑁

𝑋𝐴 = 175 − 100 − 371,6 = −296,6 𝑁

𝑌𝐴 + 𝑌𝐵 = 100 N

Ne pouvant pas déterminer l’effort axial sur un seul roulement, nous allons poser l’hypothèse que le

roulement B encaissera tout le poids du rotor. Cela nous permettra de déterminer le type de roulement

à utiliser et de le dimensionner. Nous utiliserons un roulement identique au point A, ce dernier subissant

moins d’efforts que le roulement B.

CHOIX DU TYPE DE ROULEMENT

Au vu des efforts présents dans le système, nous choisissons d’utiliser des roulements à bille à une

rangée de bille, à contacte radial de chez SNR.

CHOIX DU ROULEMENT

Pour une vitesse de vent critique de 25 m/s, le rotor doit

tourner à 477,46 tr/min. Nous voulons une durée de vie de

𝐿10ℎ = 20 000 ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒𝑠

Détermination du facteur de durée (fh) et du facteur de

vitesse (fn) :

𝐿10ℎ = 500𝑓ℎ3 ⇒ 𝑓ℎ = 3,02 𝑒𝑡 𝑓𝑛 = (

33,3

477.46)

1/3

= 0,41

Détermination de la charge radiale dynamique

équivalente (Pr) :

𝐹𝑎

𝐹𝑟=

𝑌𝐴

𝑋𝐴= 0,284 > 𝑒 = 0,28

⇒ 𝑋 = 0,56 𝑒𝑡 𝑌 = 1,55


17

𝑑′𝑜ù 𝑃𝑟 = 0,56 . 371,6 + 1,55 . 100 = 363,096𝑁

⇒ 𝐶𝑟 = 𝑓ℎ

𝑓𝑛 . 𝑃𝑟 = 2674,512 𝑁

Après avoir regarder les données des roulements, on choisit le roulement à bille 6810, celui-ci répondant

largement aux contraintes.

Remarque : Nous n’avons pas pris de coefficient de sécurité pour le calcul du roulement car le cas de

charge dans lequel nous nous sommes placés correspond à un cas extrème. De plus nous avons émis

l’hypothèse qu’un roulement devait encaissé la totalité du poid du rotor.


18

DIMENSIONNEMENT DE L ’ARBRE ROTOR


19


20

CHOIX DU TRAIN EPICYCLOÏDAL


21


22

CHOIX DES ROULEMENTS DU TRAIN EPICYCLOIDAL :


23

On sélectionne le roulement autolubrifié 6700.

PIECE DU COMMERCE

CLAVETTE DEMULTIPLICATEUR :

Clavette parallèle, forme A, 2 x 2 x 8


24

ROUE DENTEE

Roue dentée Dp=10

Roue dentée Dp=22

Roue dentée Dp=88


25

Détermination de la masse volumique approchée du rotor :

Le rotor est une pièce qui est en fibres de carbone pour allier légèreté et résistance aux efforts subis à cause du

vent. Comme les efforts subis sont vraiment faibles d’après nos calculs antérieurs, on peut choisir un composite

adapté. Pour faire simple, plus on augmente la part de fibre, plus le composite est résistant. Plus on augmente

la part résine, plus on l’allège. Nous voulons donc alléger et donc augmenter la part résine. Une formule

récupérée en ED91 nous permet de déterminer la masse volumique d’un composite :

𝜌𝑐 = 𝑉𝑓. 𝜌𝑓 + (1 − 𝑉𝑓). 𝜌𝑚

Avec :

- 𝜌𝑐 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑒 = 1750𝑘𝑔/𝑚3

- 𝜌𝑓 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑠 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠 = 1200 𝑘𝑔/𝑚3 - 𝜌𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒

- 𝑉𝑓 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑓 𝑑𝑒𝑠 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠 (𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒) = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠+𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒

Comme nous priorisons le poids, nous proposons un Vf = 0,8, ce qui nous fait 𝜌𝑐 = 1310 kg/m3


26

JUSTIFICATION DU MODELE CAO : ROTOR

La recherche architecturale et l’optimisation topologique ont apporté des formes sur lesquels nous basé pour la

conception du rotor.

Le rotor, tel qu’il a été conçu, est composé de 5 types de pièce.

PALES (1)

Les pales sont moulées et sont collées avec les bras de liaison. Ces pièces creuses réalisées en fibre de carbone,

ont une épaisseur interne de 3 mm pour les pales, et de 4 mm pour les bras de liaison. L’ensemble pale + bras

de liaison est en 3 exemplaires dans le mécanisme.

TUBE CARBONE (2)

Le tube carbone est réalisé dans le même matériau que les pales. Il a une épaisseur interne de 5 mm et est l’axe

du rotor.

LIAISON CARBONE HAUT ET BAS (3)

Deux pièces en plastiques ont été conçues pour attacher le tube carbone et les 6 bras de liaison ensembles. Ces

pièces réalisées en Polyamide sont présentes en 2 exemplaires, à la hauteur des 2 rangées de bras mécanique.

3

1

2

2

3 2

4

4


27

Les pièces en fibre de carbone sont enfoncées à l’intérieur, et sont maintenues par une colle spéciale. On a donc

prévu un jeu de 0.2 mm pour l’épaisseur de la colle.

CYLINDRE RECOUVREMENT (4)

La pièce cylindrique assure la liaison entre l’axe en carbone, et l’axe principal du mécanisme. Le tube carbone se

glisse et se fixe dans le cylindre supérieur. De la colle se trouve sur toute la longueur de ce cylindre. Le cylindre

inférieur sert d’étanchéité, et empêche l’eau de pluie de pénétrer dans le mécanisme. C’est la solution la plus

appropriée que nous avons choisi, puisque nous ne pouvons installer des joints autour de l’axe, ce qui freinerai

la rotation et les performances de l’éolienne. Le plan est en contact surfacique sur le plateau de l’axe du

mécanisme, et est maintenu en position via 4 vis CHC.

AXE (5)

L’axe du mécanisme est celui autour duquel tourne le planétaire principal. Les 2 roulements calculs se trouvent

autour de cet axe. L’axe est également entouré de 2 entretoises entre les roulements et entre le roulement et le

planétaire du rotor. Le planétaire est maintenu également via un écrou à encoche, qui une fois montée, ne se

dévisse pas. Le planétaire est entrainé avec l’axe via une clavette. Un calcul de matage a vérifié qu’une seule

clavette résistait largement aux efforts de cisaillements sur l’axe.

.


28

CONCLUSION

Nous avons pu, en posant des hypothèses, déterminer et calculer les principaux éléments composant

l’éolienne. Il reste cependant à calculer les efforts sur le mât en vu de son dimensionnement ainsi qu’à

déterminer les éléments qui viendront après la génératrice afin de convertir le courant pour allimenter

la maison.

De plus, il est important de noter que le poids des pièces aux vues de cette note technique que les poids

des différentes pièces pourraient être important. Il serait donc judicieux d’optimiser les parties les plus

importantes de notre système pour alléger son poids.

C’est le but de la prochaine partie l’optimisation structurale. Grâce à Abaqus nous serons en mesure de

faire une optimisation topologique du rotor, du carter et du mât et définir la meilleur géométrie possible

pour notre éolienne.

Note technique eolienne cp97

Engineering

Transcript of Note technique eolienne cp97