Turbines hélice

[moulino51]

Bonjour Gilles,

On peu ajouter une troisième option d'admission avec la turbine "Deriaz" dont l'entrée est oblique !


Gérard

[MDT]

Bonjour

Merci pour ces commentaires.

le gain mécanique se fait au prix d'une électronique extrêmement complexe.

Certe, le control est complexe. La complexite coté électronique pour une turbine de 100kW se resume a:
- 4-8 circuit d'evaluation de microcontrolleur (style http://fr.rs-online.com/web/p/mikrocont ... n/7458434/ à 13€ piece)
- 30-40 Circuits de "6-pack" de IGBT pour electromenager (7€-12€) piece
- une bonne dose de condensateurs pour stabilisé la tension continue
- un onduleur ou actif front-end pour convertir le courrant continue en 3 phasé 400V
- quelques capteurs de distance (et eventuellement thermique pour protection des bobines)

Donc un projet passionnant, mais je pense bien au delà des possibilités de calcul, modélisation, ou prototypage mécanique et électronique d'une personne seule, mais plutôt du domaine d'un laboratoire, d'une faculté ou d'une grosse entreprise. Vous vous attaquez là à un énorme poisson qui n'est pas encore dans l'assiette, au moins celui là ne passera pas dans les grilles d'une micro centrale !

J'ai pense à proposer la partie "controle" comme sujet de recherche pour des grandes ecoles en éléctronique (projet fin d'etude ou autre).
C'est assez passionant comme sujet pour les étudiant en control et automatisme, un peu comme faire voler un train en suspension magnetique.
Sinon j'ai acces à des outils de simulations FE et dynamique des fluides si il faut. Ce qu'il me manque ce sont plustot les capacités de fabrication.

Voila queles vues d'un modele FE de la turbine:

Turbine_exterior_generator.png

Le roteur est en tole inox. Au centre une "axe" qui n'est pas guidé. La section plat en anmont sera face à l'axe du cercle des directrices, si celles-ci sont
axiales. Sinon l'axe aura plus une forme d'obus. Sur l'anneau autour de l'helice ce trouvent les sections en fers magnetique.
Vue du roteur seule:

Turbine_rotor.png

Dans la section on voit bien le stator avec les bobines et le rotor qui n'a que des petites bout de fers(en lamelles) colles sur un anneau non-magnetique (en tole inox).

Turbine_cut.png

Autre problème de cette technologie, les vibrations et le bruit : le fait que la réluctance soit variable (entrefer variable, contrairement à une machine asynchrone) génère beaucoup de vibrations à basse vitesse avec une machine comportant peu de phases (1, 2, 3), et bien sûr moins de vibrations à haute vitesse avec une machine à 4, 5 ou 6 phases, mais le prix de l'électronique s'envole alors !

J'ai pense aussi au bruit, c'est pourquoi je penche pour une solution à beaucoup de poles (40? ).
Mon raisonnement est le suivant: Il faut passer le courant actif et reactif dans les bobines, il me faut donc des IGBT pour un courrant donnée.
Les prix par ampere des IGBT est très non-lineaire: Si on reste dans la gamme du electromenager (<20A <10kW) on trouves des cirquits
déjà tout integre avec driver etc. qui se connectent directement sur les microcontrolleurs à bas prix. Du coup je ne peut pas avoir plus que 20A par phase.
J'ai donc interet d'avoir beaucoup de phases. Cela permet aussi de mieux controller la position de l'hélice.
L'option de controller tous les degrées de liberté de l'hélice par le génerateur n'est pas obligé. On pourrait rajouter une axe pour tenir la direction radiale
mais garder quand même l'effort axiale (qui est le seule qui est vraiement important) dans la suspension magnetique.

Le seul intérêt du SRM sur le moteur asynchrone est le contrôle de la position angulaire, à part ça les coûts de fabrication sont très semblables entre les deux, mais le moteur asynchrone a l'avantage d'être relié directement au secteur, sans électronique, ce qui explique sa popularité.

C'est vrais pour une turbine classique. Pour mon concepte il me faut controller la force magnetique de toute manière et aussi la frequence de rotation.
On est donc obligé de passer par un variateur de fréquence et du coup on peut aussi bien prendre un générateur SRM qui a quand meme
l'avantage que le rotor est quasi incassable (pas de bobines ni aimants). Dans le SRM on peut controller le flux pole par pole et donc varier
la force axiale a chaque endroit different. Pour un génerateur asynchrone ca me semble plus dur à gérer puisque une partie du flux vienne du rotor.
L'autre avantage est l'absence d'engrainage.
Je n'aime pas l'idee des aimant permanents dans l'eau, car je suis sur que apres quelques semaines d'utilisation je trouverais plein de debris magnetique colle entre le rotor et le stator.

Pour une turbine hydraulique, des guidages mécaniques "de secours" me semblent indispensables en cas de panne électrique : avec l'eau qui arrive à flots, il faudra bien maintenir la roue, sans faire d'étincelles, le temps de couper l'eau.

Mon concepte prevoit des blocs en plastique de chaque coté de manière à ce que l'hélice se pose dessus en frottant mechament (etant donnée que la vitesse
à l 'extierieur est elevé). Très probablement la frottement sera suffisant pour arreter la rotation au bout d'un certaint temps.
Quand ca arrive les blocs en plastique vont s'user, mais ca pourrait se remplacer apres un certain nombe de atterissages non controllé.
Ce à cause de ce cas que je suis favorable à une version double reglage avec directices qui peuvent fermer le flux. Mais cela rajoute encore la complexité.

Je suis concient que le développement de cette turbine demande un certain temps, mais le concepte me plait pour sa simplicité finale une fois
que le dévélopement est fini.
Par exemple le génerateur pourrait simplement se faire à partir de bandes de tole de transformateur qui est géneralement déjà livre en bobine quand ca sort de l'usine.
Il faut juste les rebobiner au bon diametre (2 bobines), coller ensemble avec de l'epoxy et decouper une de bobines radialement en morceau de gateau.
Ensuite les bobines en cuivre seront rouler autour des morceau "de gateau" et l'ensemble positioné au bon endoit et coulé dans
l'epoxy . Pas besoin de forme speciale pour les toles ni de bobinage compliqué (mais il faudrait une surface bien plane pour couler l'epoxy).
Pour cette turbine on pourrait vraiement tout faire soit-même, meme le générateur.
En plus la turbine pourrait tres bien s'installer immerger dans un digue à l'extérieur puisqu'il n'y a pas d'equipement à proteger (du coup cette histoire
de bruit sera moins important). L'angle de l'axe de turbine pourrait etre incliné aussi (style VLH) pour minimiser le genie civile
et par rapport à la VLH il n'y a pas de pompe huile pour le verin, pas de compresseur et secheur d'air, pas de joint tournant à remplacer et le poids
sera divisé par 2 pour la meme puissance (mais je vise des puissance beaucoup plus petit entre 5kW et 100kW).


Cordialement

[PERRET]

Bonjour MDT,

comment envisagez vous d'absorber la poussé axiale ? : ± 2000 kg pour une hélice de Ø 1 m sous 4 m de chute ou pensez-vous que l’attraction magnétique en fonctionnement sera suffisante pour maintenir l'hélice en place ?

[MDT]

Bonjour

comment envisagez vous d'absorber la poussé axiale ? : ± 2000 kg pour une hélice de Ø 1 m sous 4 m de chute ou pensez-vous que l’attraction magnétique en fonctionnement sera suffisante pour maintenir l'hélice en place

La poussé axiale doit etre pris par le champs magnetique. Pour un moteur /génerateur radial les effort magnetiques radiales
se neutralise et on ne voit que le couple sur l'axe.
Pour le générateur axiale l'effort du champs magnetige est principalement axiale avec une composante circumferentielles (couple).
Tout l'astuce est de choisir/regler le courrant d'excitation (en amplitude et en phase) pour ajuster à la fois l'effort axiale
qui compense la pousse axiale et en meme temps l'effort circumferentielle pour le couple.
On reglant la phase du courrant d'excitation on peut ajuster la ratio des efforts axial et circumferentiel dans une certaine plage.
Pour une hélice non-reglable, la ratio entre la poussé axiale et le couple est heuresement aussi presque une constante pour les
points de fonctionnements normales.
Je suis en train de travailler sur une simulation avec scilab pour me rassurer que dans tous les points de fonctionnement
on arrive bien a controller l'helice par le génerateur.

Par contre j'envisage plustôt une chute de 2.5m ou moins. Je pense que le concepte risque d'avoir un limit supérieur pour la chute
(que je n'ai pas etudié).

Cordialement

[Ticapix]

Bonsoir,

Cela sort un peu de la turbine simple, mais il existe déjà au Japon un rotor de turbine pesant 35 tonnes dont la butée et le guidage sont assurées par un système magnétique actif.
Il existe Pour chaque paliers 5 capteurs de position, dont le signal est amplifié, traité, analysé en temps réel pour donner les infos d'excitation des différentes bobines placées autour du rotor et dont l'excitation plus ou moins importante va repositionner le rotor à la bonne place, le tout à 2-3/100 près.

En France c'est SKF par sa société S2M qui est leader dans ce domaine.

En aimant permanents le limite est fixée par la force des aimants en moyenne 1.2 Tesla pour les meilleurs ce qui permet de générer une force de "lévitation "de 4 à 6 kg maxi par cm2.

Cordialement

TG

[Ticapix]

Bonsoir,

je ne suis pas sûr que l'on puisse parler d'admission oblique pour la Deriaz, en effet dans cette turbine diagonale, c'est le flux qui traverse la roue qui est diagonal ( si on veut) et non l'admission. La "Deriaz" est d'ailleurs souvent représenté avec un distributeur radial en bâche spirale comme une Francis.

En fait pour répondre à @Gilles21, l'admission radiale est la plus fréquente car plus simple de construction, avec des axes à l'équerre.... l'admission axiale est plus "hydrologique" mais plus complexe à construire surtout avec des directrices mobiles et l'on réserve cette disposition au turbine tubulaire, saxo, incliné en puits ou en bulbe. On a essayé mais abandonné pour des raisons de coûts la turbine à axe vertical et distributeur conique (visible sur le Vivier) malgré semble t-il un gain d'efficacité.

Avec une admission axiale on estime que l'on peut faire passer 10% de débit en plus que dans une machine verticale distributeur radial de même diamètre.

Cdt

TG

[moulino51]

Tout a fait Thierry



Gérard

[Gilles21]

Merci pour ces précisions .
Cordialement
Gilles 21

[MDT]

Merci Ticapix pour ces precisions

Cela sort un peu de la turbine simple, mais il existe déjà au Japon un rotor de turbine pesant 35 tonnes dont la butée et le guidage sont assurées par un système magnétique actif.
Il existe Pour chaque paliers 5 capteurs de position, dont le signal est amplifié, traité, analysé en temps réel pour donner les infos d'excitation des différentes bobines placées autour du rotor et dont l'excitation plus ou moins importante va repositionner le rotor à la bonne place, le tout à 2-3/100 près.

Dans la recherche de litterature sur le sujet de suspension magnetique je suis aussi tombe sur cette machine. Il me semble que c'est la premiere fois
que la suspension magnetique a été utilisé commercialement. Comme quoi ce n'est pas completement impossible.
Je ne vise pas 2-3/100 pour la precision. Je serait contente avec 1mm de precision. Avec ca on pourrait avoir une distance rotor-stator de 3mm +-1mm.
(3mm= 2*0.5mm de couche de protection de chaque coté + 2mm eau).
Dans le cas d'arret la helice devrait se poser sur de butées en aval et la distance rotor-stator est 10mm de manière que nous puission la ratrapper avec
le champ magnetique (en statique, sans SRG nous avons un peut plus de force disponible car tous les poles peuvent etre actifs)

En aimant permanents le limite est fixée par la force des aimants en moyenne 1.2 Tesla pour les meilleurs ce qui permet de générer une force de "lévitation "de 4 à 6 kg maxi par cm2.

Je pense que avec un electro-aimant on peut aller jusqu'a 1.5-1.7 Tesla avec le bon type de fer (sans passer par la supra-conductivité ) mais ce n'est pas mon but d'aller forcement tres haut dans la satturation.
Si je reprends tes valeurs 4-6kg/cm^2 on peut faire la calcul suivant:

Example de Turbine:
Diameter Helice : 2m
Chute : 2m
Qmax : 6m3/s (je vise bas expres)
Puissance mechanique max: 100kW
Diametre generator : 2.2m
Vitesse de rotation : 60 tour minute (lent)
Couple : 15kNm
pousse tangential : 14kN
pousse axiale : 61kN
Largeur radiale des poles: 12cm
Surfache de rotor/stator: 0.8 m^2
Force axiale/surface : 76kN/m^2 = 0.7kg/cm²

Si on compare les 0.7kg/cm2 requise au 4-6kg theoriquement possible il faut pas oublier que dans un génerateur SRG on ne peut pas etre au flux max tous le temps.
Egalement il nous faut de l'espace entre les poles (typiquement les poles couvrent 1/4 à 1/3 de la surface du rotor).

Donc pour l'etat statique les efforts peuvent bien etre equilibre pour cette machine. Ceci peut s'adapter en fonction de la chute en augmentant la largeur des poles.
Ce qui colle bien aussi c'est le rapport effort axiale 61kN au effort circumferentiel 15kN (angle 14° par rapport a l'axe - en realité c'est un peu plus car nous avons surestimé la pousse axiale).
Ce qui me preoccupe ce sont les efforts supplementaires necessaire pour regler la position en cas dynamique (arret, demmarrage, desequilibrage par un objet dans l'eau).
La boucle d'asservissement doit etre tres rappide ( de l'ordre de 1-10millisec. de temps mort) si on veut minimiser les efforts de reglage.
Ce qui est encore compatible avec les frequence de modulation des IGBT qui sont (pour les onduleurs) typiqment entre 1-15kH -> 0.06 a 1millisec.
Tout l'astuce est que les reste de la chaine (capteur + microcontrolleur) ne r'ajoutent que tres peut de delais. Le microcontrolleur que je veut utilise
tourne a 160MHz est fait les conversion analogique numerique à 2.4 MSPS (< 1 microsec.). Il reste a trouver la capteur suffissamment rappide pour
mesurer une distance de 1-10mm dans l'eau avec une frequence >1kHz et faire un programm simple et rappide pour le control.

Je pense que le moment et venu de ne plus avoir peur des tels exigences vis-a-vis de l'électronique puisque la puissance de calcul ne coute plus
rien alors que les prix en mechanique et des materiau ne baissent pas. Cette meme approche ne pouvait pas aboutir il y a encore 5 ans.
Aujourd'hui je pense que c'est possible et rentable. Tous les aeoliennes utilisent les variateurs de frequence maintenant, pourquoi pas nous en hydro?

Cordialement

MDT

P.S. Si ca vous gene, que nous discutons cette idee sous le titre "Projet ... turbine simple" peut etre DB peut transferer ca dans une nouvelle
discusion avec le titre "Projet de turbine vachement complique"

[PERRET]

Bonjour,

en effet, nous sommes loin, très loin d'une turbine hélice simple.

Combien d'intervenants sur le Forum sont-ils capables de suivre ?

C'est une remarque et il m'est déjà aussi arrivé de répondre en m'écartant fortement du sujet.