L`éolienne Savonius. Etude aérodynamique et performances

12èmes Journées Internationales de Thermique
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L'éolienne Savonius. Etude aérodynamique et performances mécaniques.
The Savonius rotor. Aerodynamical study and mechanical performances
Alain . H. CHAUVIN
Laboratoire IUSTI-POLYTECH. 5, rue Enrico FERMI. 13453 MARSEILLE.
e-mail : [email protected]
INTRODUCTION
Le rotor de Savonius est une éolienne à axe vertical
composée de deux aubes semi cylindriques décalées par
rapport à l'axe de rotation. Cette machine a fait l'objet de
nombreuses
études,
essentiellement
de
nature
expérimentale [1],[2],[3],[4].La figure (1) présente un
panorama récapitulatif de l'évolution du coefficient de
puissance des différents types d'éolienne en fonction du
coefficient de vitesse périphérique. Il apparaît que le rotor
de Savonius est tout à la fois l'éolienne la moins
performante et la machine la plus lente. Ces deux aspects
semblent ,pris séparément, constituer des inconvénients.
En fait, cette association conduit à envisager cette
machine comme un rotor à couple ; c'est effectivement
cette caractéristique qui sera mise en évidence dans la
suite de l'étude. Les caractéristiques de régime lent
associé à un bon couple au démarrage et en
fonctionnement permettent d'envisager cette machine
plutôt comme une éolienne de pompage.
Le calcul des coefficients de moment et de
puissance a été réalisé à partir de la détermination
expérimentale en soufflerie aérodynamique du champ des
pressions statiques d'aubes(intrados et extrados).La figure
(2) montre la disposition des capteurs de pression. La
méthode expérimentale utilisée ainsi que les résultats
obtenus ont été présentés et analysés dans deux
articles[5],[6].
COEFFICIENTS DE MOMENT ET DE PUISSANCE
L'écoulement est supposé bidimensionnel et le
fluide parfait. Soient δ P(A) et δ P(B) les écarts de
pression autour d'un point courant, selon que ce point
appartient à l'aube avançante ou à l'aube reculante. On a
établi alors que le moment des forces aérodynamiques
était porté par l'axe de la machine et avait pour
composante [6] :
π
∫
M= rRh (
δ
P(A) +
δ
P(B)) sin θ d θ
o
On a alors exploité numériquement les résultats
expérimentaux, cela quand la machine effectue un demi
tour complet : α l'angle d'incidence variant donc entre 0°
et 180°. On peut alors tracer les courbes du coefficient de
moment CM pour les deux valeurs de la vitesse U ∞ ainsi
que les deux fréquences de rotation, en fonction de
l'incidence. La figure (3) présente l'évolution du
coefficient de moment CM. On peut observer que le CM est
maximal pour une incidence voisine de 100° quand U ∞ a
pour valeur 10 m/s et aussi pour une incidence de l'ordre
de 77° quand U ∞ est de 12.5 m/s. On remarque que le
couple ne décroche pas ,il reste assez voisin de sa valeur
moyenne, il n'y aura donc pas d'effet d'à-coups sur une
rotation.
Tanger, Maroc du 15 au 17 Novembre 2005
Le coefficient de puissance CP du rotor est défini par :
CP =<P>/(1/2) ρ SU ∞ ou <P> représente la puissance
moyenne sur un demi -tour. Soit : <P> = ω <M>
On peut alors déterminer les valeurs du CP dans les deux
situations expérimentales précédentes. Il vient :
CP=11.8%
quand U ∞ =10m/s ;
λ =0.2 et ω =39.25 rad/s
CP=30.17 %
quand U ∞ = 12.5 m/s
λ = 0.43
et ω =104.6 rad/s
Dans ce dernier cas nous sommes à l'optimum ; Newman
[3] avait montré expérimentalement que le rendement de
ce type de machine ne dépassait pas cet ordre de
grandeur.
On notera que ce maximum de puissance est obtenu pour
une valeur peu élevée du coefficient de vitesse
périphérique ; ceci confirme une observation très générale
, constatée par tous les expérimentateurs; à savoir que la
puissance maximum est obtenue pour de faibles valeurs
de λ .Cela souligne bien toute l'importance prise par
l'effet de couple signalé précédemment.
3
EMISSIONS TOURBILLONNAIRES SUR LES
AUBES
L'étude des émissions tourbillonnaires a été réalisée au
moyen de visualisations en veine hydrodynamique.Une
caméra placée au niveau de la maquette,
perpendiculairement à l'écoulement, nous a permis
d'obtenir un film des émissions tourbillonnaires dans un
plan médian de section droite du rotor. Les émissions de
filets colorés ont été effectués d'une part en amont de la
machine et d'autre part au niveau de l'axe de rotation de
celle-ci. Ces expériences réalisées pour plusieurs valeurs
du nombre de Reynolds (6500,10000, 12280, 20000) et
pour différentes vitesses de rotation de la maquette ont
permis de constater que le système tourbillonnaire ne
variait pas . Ce système est toujours constitué des mêmes
phases, au nombre de quatre. Les deux aubes sont
repérées par les lettres (A) et (B).Sur la figure (3) les
quatre phases sont schématisées. On a aussi indiqué par
des flèches les vecteurs vitesses relatives vus par certains
points de l'aube. On peut alors constater :
Phase A:
C'est celle qui correspond au début du vidage de l'aube
(A). Le tourbillon de vidage Av aspiré vers l'extrémité de
l'aube est entrainé dans le sillage de (A) sous l'effet de la
chute de pression entre l'intrados et l'extrados en bout de
pale. On observe que la direction initiale d'éjection de ce
tourbillon ne coïncide pas avec la direction de la vitesse
relative en bout d'aube. C'est une zone à échappement de
bord de fuite. Sur l'intrados de (A) on note la formation
d'une masse tourbillonnaireAi. Pour ce qui est de l'aube
57
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-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(B) on remarque l'émission d'une masse tourbillonnaire puissance. Etude des émissions tourbillonnaires.Journal
de Mécanique Théorique et Appliquée.Vol6, n°6, pp 827assez diffuse en provenance de l'intrados de (B).
842. 1987.
Phase B.
Elle se met en place pour une incidence voisine de [6]. Chauvin.A,Aouchria.Z et Fraunié P. Pressure
on
a
Savonius
170°.On observe deux phénomènes :Le premier c'est Measurements
Wind
Energy
l'accroissement de la masse tourbillonnaire Ai sur Rotor.Interpretations.European
l'intrados de(A).Le second c'est l'évacuation de la masse Conference.Rome.octobre 1986.
de fluide Bi vers l'extrados de l'aube (A). avec un [7]. Ogawa.T. Theoretical Study on the Flow about
Savonius Rotor. Journal of Fluids Engineering.Vol l06.
phénomène très net de décollement.
pp85-91. March 1984.
Phase C.
Cette phase qui intervient pour une incidence voisine de
235°, montre bien la scission de la masse de fluide Ai qui
s'opère sur l'intrados de (A).C'est la phase de constitution
du tourbillon d'extrados Be de (B). Son sens de rotation
est celui de la maquette. Sur l'intrados de (B) on note la
création d'une masse de fluide Bv. Ceci correspond à la
présence d'une partie en dépression par rapport aux zones
qui lui sont adjacentes.
Phase D.
L'incidence est maintenant de l'ordre de 270°. On observe
le début du vidage de la pale (B).Le tourbillon Be a
progressé vers l'extrémité de l'aube et il commence a être
aspiré avec comme dans le cas de la phase A le même
phénomène cinématique au niveau de l'extrémité de l'aube
(B).
En ce qui concerne la modélisation de l'écoulement
tourbillonnaire, on signalera l'approche théorique
proposée par T.Ogawa [7] qui repose sur la méthode
tourbillonnaire discrète. consistant à envisager une
distribution de tourbillons élémentaires le long de chaque
aube.
PROFILS DE VITESSE MOYENNE
Des mesures de vitesse moyenne et de fluctuations
longitudinales ont été réalisées au moyen d'anémométrie
laser-Doppler. Les profils à différentes distances à l'aval
de l'éolienne sont présentés sur les figures (fig 4) et (fig
5). Immédiatement à l'aval, à X/D =0.76, le profil des
vitesses moyennes présente une nette dissymétrie par
rapport au plan médian de la machine, cela provient du
rôle différent des deux aubes. On note deux minimums de
vitesse moyenne qui correspondent aux lignes d'émission
tourbillonnaire. L'intensité des fluctuations pour cette
section passe par
un maximum correspondant à
l'émission du tourbillon de l'aube motrice. Ce maximum
s'estompe rapidement à l'aval en se déplaçant vers le plan
médian. On tend progressivement vers un sillage de type
classique.
Références bibliographiques.
[1] Savonius. J. The S-Rotor and its applications].
Mechanical Engineering, Vol 53; n°5; pp 333-338. Mai
1931
[2].Newman.B.G. Measurements on a Savonius Rotor
with variable gap. Proc of University of Sherbrooke.
Conference on wind energy. Quebec. Mai 1974.
[3]. Modi.V.J. and Fernando.M. On the performance of
the Savonius Wind Turbine. ASME Journal of Solar
Energy Engineering.Vol111. pp71-81. 1989.
[4]. Fuisawa.N and Gotoh.F. Experimental Study on the
Aerodynamic Performance of a Savonius Rotor. Journal
of Solar Energy Engineering. Vol 116.pp 148-152.
August 1994.
[5]. Chauvin.A, Aouchria.Z et Marchand.O. Champ des
pressions sur les aubes d'une éolienne Savonius.
Détermination des coefficients de moment et de
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