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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAÎTRISE EN GÉNIE MÉCANIQUE M.Ing. PAR Louis-Charles FORCIER CONCEPTION D’UNE PALE D’ÉOLIENNE DE GRANDE ENVERGURE À L’AIDE DE TECHNIQUES D’OPTIMISATION STRUCTURALE MONTRÉAL, LE 1er SEPTEMBRE 2010 © Tous droits réservés, Louis-Charles Forcier, 2010. PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Simon Joncas, directeur de mémoire Département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure M. Christian Masson, président du jury Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure M. Henri Champliaud Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 3 AOÛT 2010 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier Simon Joncas, mon directeur de mémoire, pour son soutien tout au long de ce projet. L’autonomie dont j’ai pu proﬁter ainsi que l’aide que j’ai reçue lorsque cela était nécessaire furent grandement appréciées. Je veux aussi remercier Laurent, Jean-François, Marc-André, David et Mathieu, mes camarades du laboratoire d’applications des composites pour l’éolien (LACE) avec qui j’ai eu du plaisir à travailler et à discuter durant ma maîtrise. Finalement, je remercie ma famille et, plus particulièrement, Myriam pour leur soutien et leur aide. IV CONCEPTION D’UNE PALE D’ÉOLIENNE DE GRANDE ENVERGURE À L’AIDE DE TECHNIQUES D’OPTIMISATION STRUCTURALE Louis-Charles FORCIER RÉSUMÉ Dans une volonté de réduction de la quantité de déchets générés lors de la mise hors service des éoliennes, différents projets visent la fabrication de pales d’éoliennes faites de compo- sites thermoplastiques, donc recyclables. Ce projet se propose donc, puisqu’il s’agit d’utiliser de nouveaux matériaux, d’étudier la possibilité d’employer de nouveaux concepts structuraux en utilisant des méthodes d’optimisation structurale pour faire la conception d’une pale d’éo- lienne. D’abord, la pale et l’éolienne étudiées sont déﬁnies, ce qui permet d’évaluer les chargements sur les pales en suivant la norme IEC 61400-1 de la Commission Électrotechnique Internatio- nale. Quatre cas critiques représentant les différentes situations auxquelles peuvent être sou- mises les pales sont choisis : éolienne en fonctionnement avec un cisaillement du vent extrême vertical (pale à la verticale) et horizontal (pale à l’horizontale) et éolienne à l’arrêt avec un vent de tempête (pale à la verticale et à l’horizontale). Le processus de conception se divise en deux parties. La première étape consiste en une opti- misation topologique ayant pour objectif de maximiser la rigidité de la structure tout en étant contraint sur la quantité de matériel utilisée. Le domaine de conception est déﬁni comme étant l’intérieur de la pale. Les résultats montrent que la structure optimale ainsi obtenue est consti- tuée d’un longeron et de nervures. Dans la deuxième étape du processus de conception, des optimisations dimensionnelles sont ef- fectuées sur plusieurs modèles présentant des topologies différentes (différents nombres d’âmes et de nervures). L’objectif est alors de minimiser la masse de la pale avec des contraintes sur la rigidité, la résistance et la stabilité. Les variables de conception sont les épaisseurs des dif- férentes couches des laminés composites. Les résultats montrent que les modèles avec des nervures espacées de 2 m permettent une légère réduction de la masse des pales par rapport aux structures classiques. De plus, une pale possédant des nervures semble être mieux adaptée aux procédés de fabrication des composites thermoplastiques, c’est-à-dire, l’assemblage par soudage de pièces de dimensions moyennes. Mots-clés : Énergie éolienne, composite thermoplastique, pale d’éolienne, optimisation struc- turale. VI DESIGN OF A LARGE WIND TURBINE BLADE USING STRUCTURAL OPTIMIZATION TECHNIQUES Louis-Charles FORCIER ABSTRACT In an effort to reduce the amount of waste generated by the decommissioning of wind turbines, different projects are currently ongoing to try to build recyclable thermoplastic composite wind turbine blades. The objective of this project is to study new wind turbine blade structural de- sign concepts, better suited for manufacturing of thermoplastic composite, by using structural optimization methods. First, the studied blade and wind turbine are deﬁned and the loads on blades are computed according to the International Electrotechnical Commission IEC 61400-1 standard. Four criti- cal load cases, representing situations to which a blade could be submitted, were identiﬁed : wind turbine in operation with a vertical extreme wind shear (vertical blade), wind turbine in operation with a horizontal extreme wind shear (horizontal blade) and two parked wind turbine situations when submitted to extreme wind speed (vertical and horizontal blade). The design process is divided into two steps. The ﬁrst step is a topology optimization in which the objective is to maximize the stiffness of the structure when using a given amount of ma- terial. The design domain is deﬁned as the inner volume of the blade. Results show that the optimal structure uses a load carrying spar and several webs. In the second step of the optimization process, sizing optimizations are performed on several models with different topologies (different webs and ribs conﬁgurations). The objective is to minimize the blade mass with constraints on stiffness, strength and stability. Results show that models with 2 m spaced ribs allow a slight mass reduction when compared against a classi- cal blade structural design. This design is also believed to be well adapted to thermoplastic composite manufacturing processes, i.e. welded assembly of moderate size parts. Keywords : Wind energy, thermoplastic composite, wind turbine blade, structural optimiza- tion. VIII TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION.............................................................................. 1 CHAPITRE 1 LE VENT COMME SOURCE D’ÉNERGIE .............................. 5 1.1 Les premières éoliennes .............................................................. 5 1.2 La production d’électricité ........................................................... 6 1.3 La crise du pétrole .................................................................... 8 1.4 Autres types d’éoliennes ............................................................. 8 1.5 L’état actuel du secteur éolien........................................................ 9 CHAPITRE 2 MODÉLISATION AÉRODYNAMIQUE D’UNE ÉOLIENNE ........... 13 2.1 Évaluation de la puissance d’une éolienne .......................................... 15 2.2 Théorie de la quantité de mouvement................................................ 15 2.2.1 Prise en compte de la rotation du sillage................................... 19 2.3 Théorie de l’élément de pale ......................................................... 23 2.3.1 Modèle de base.............................................................. 24 2.3.2 Corrections du modèle de base ............................................. 27 2.3.2.1 Facteur de pertes en bout de pale de Prandtl ..................... 27 2.3.2.2 Correction de Glauert pour les valeurs élevées de a ............. 28 2.3.3 Méthode de résolution pour un élément de pale ........................... 28 2.4 Calcul de la puissance de l’éolienne ................................................. 30 2.5 Calcul des sollicitations mécaniques sur les pales .................................. 31 CHAPITRE 3 CONCEPTION AÉRODYNAMIQUE D’UNE ÉOLIENNE .............. 33 3.1 Paramètres d’opération de l’éolienne ................................................ 33 3.2 Rayon du rotor et longueur de la pale................................................ 37 3.3 Proﬁls aérodynamiques............................................................... 39 3.4 Distribution de la corde et du gauchissement géométrique ......................... 39 3.5 Description de la pale et de l’éolienne étudiées dans ce projet ..................... 43 CHAPITRE 4 CHARGEMENTS SUR UNE PALE D’ÉOLIENNE ...................... 47 4.1 Revue de la littérature ................................................................ 47 4.1.1 Sources des chargements sur une pale d’éolienne ......................... 47 4.1.2 Inﬂuence de la taille de l’éolienne sur les chargements ................... 48 4.1.3 Norme IEC 61400-1 ........................................................ 49 4.1.3.1 Présentation........................................................ 49 4.1.3.2 Classes d’éoliennes................................................ 50 4.1.3.3 Situations de conception et cas de chargement .................. 50 4.1.3.4 Conditions de vent................................................. 51 X 4.1.3.5 Analyse à l’état limite ultime ..................................... 54 4.1.4 Chargements utilisés dans la littérature .................................... 55 4.2 Détermination des cas de chargement critiques pour la pale de 75 m.............. 57 4.2.1 Charges gravitationnelles et inertielles..................................... 57 4.2.2 Cas en opération............................................................. 58 4.2.3 Cas à l’arrêt.................................................................. 65 4.3 Choix des cas de chargement de conception ........................................ 66 CHAPITRE 5 CONCEPTION STRUCTURALE D’UNE PALE D’ÉOLIENNE ........ 71 5.1 Revue de la littérature ................................................................ 71 5.1.1 Structures typiques des pales d’éoliennes.................................. 71 5.1.1.1 Procédés de fabrication ........................................... 74 5.1.1.2 Relation entre la longueur de la pale et sa masse ................ 75 5.1.1.3 Nervures ........................................................... 76 5.1.1.4 Pales en composite thermoplastique.............................. 77 5.1.2 Modélisation et conception d’une pale d’éolienne ........................ 77 5.1.2.1 Méthode par sections.............................................. 78 5.1.2.2 Méthode des éléments ﬁnis ....................................... 79 5.2 Méthode de conception du présent projet............................................ 81 CHAPITRE 6 NOTIONS D’OPTIMISATION STRUCTURALE......................... 83 6.1 Formulation d’un problème général d’optimisation................................. 83 6.2 Méthodes de résolution d’un problème d’optimisation ............................. 84 6.2.1 Algorithmes génétiques..................................................... 85 6.2.2 Méthodes basées sur le gradient ............................................ 86 6.3 Optimisation structurale .............................................................. 88 6.3.1 Optimisation topologique................................................... 89 6.3.2 Optimisation de forme ...................................................... 90 6.3.3 Optimisation dimensionnelle ............................................... 90 6.3.3.1 Optimisation des structures en composite........................ 91 6.3.4 Processus habituel de conception .......................................... 92 6.4 Méthodologie d’optimisation de la pale de ce projet................................ 93 CHAPITRE 7 OPTIMISATION TOPOLOGIQUE......................................... 95 7.1 Modèle éléments ﬁnis ................................................................ 95 7.1.1 Géométrie, maillage et matériaux .......................................... 95 7.1.2 Conditions aux limites ...................................................... 97 7.2 Formulation du problème d’optimisation............................................ 98 7.3 Résultats............................................................................... 100 7.4 Discussion sur les suites de l’optimisation topologique ............................ 102 CHAPITRE 8 OPTIMISATION DIMENSIONNELLE .................................... 105 8.1 Modèle éléments ﬁnis ................................................................ 105 8.1.1 Géométrie et maillage....................................................... 105 XI 8.1.2 Matériaux.................................................................... 108 8.1.3 Conditions aux limites ...................................................... 108 8.2 Objectifs de l’étude ................................................................... 109 8.3 Formulation du problème d’optimisation............................................ 110 8.4 Résultats............................................................................... 111 8.4.1 Constatations générales ..................................................... 111 8.4.2 Semelles de longerons ...................................................... 113 8.4.3 Coques du bord d’attaque et du bord de fuite.............................. 114 8.4.4 Âmes......................................................................... 115 8.4.5 Épaisseur du noyau ......................................................... uploads/Science et Technologie/ ljb-kk.pdf