Lorsque le pas variable d'une hélice ne fonctionne plus !!!...
L'éolienne s'emballe si le vent augmente.
L’hélice sera toujours un compromis compte tenu de son envergure et des contraintes techniques inhérentes.
Toutes les éoliennes industrielles actuelles sont régulées grâce à des hélices à pas variable.
Ceci est le problème intrinsèque à l’hélice sur les éoliennes industrielles.
Une éolienne EolProcess ne peut pas tourner plus vite que le vent.
De ce fait, elle est silencieuse et implantable en milieu urbain.
Ses pales sont maintenues haut et bas,
Elle travaille en couple,
Elle récupère plus d’énergie dans moins d’espace,
Elle exploite une plage de vents plus importante (possibilité de faire du sur-mesure à moindres frais)
Elle ne peut pas s’emballer.
Sur toutes les éoliennes industrielles à hélice, la régulation du rotor se fait en utilisant une hélice à pas variable « appelée également constant speed »
C’est pour limiter leur vitesse de rotation à environ 15/20 Tours/minutes pour des pales de 45 mètres environ « cas des 2Mw actuelles ».
Et 12 à 16 Tours par minutes pour des éoliennes de plus grande envergure.
A cette vitesse de rotation, il y a encore une marge de sécurité pour éviter :
Un niveau de bruit acceptable (bruit aérodynamique des extrémités de pales)
Le franchissement du mur du son des extrémités de ces dites pales,
La limitation des G à différents endroits de la pale, pour éviter la rupture de celle-ci
Les turbulences des pales précédentes sur leurs pales suiveuses
L’amplification des tourbillons marginaux (vortex).
Voici la courbe d’une éolienne industrielle Repower MM92 de 2 Mw (une des plus performante dans sa catégorie) « tous les constructeurs actuels arrivent en gros, aux mêmes courbes »
On constate qu’elle atteint sa production nominale à environ 11,20m/seconde de vent
Meilleure rendement possible de l’éolienne en fonction de la vitesse de rotation du rotor (15Tours/minute pour cette Repower MM92) adossée à la structure des pales de son hélice propre.
Ensuite, jusqu’à une vitesse de 24m/seconde de vent, elle produit la même quantité d’énergie par heure.
Au-delà de 24m/s de vent, l’éolienne est mise en drapeau car il y a danger pour les pales maintenues en porte à faux, à l’emplanture, par leurs roulements réciproques
Par conséquent son rendement diminue alors que l’énergie du vent est proportionnelle au cube de sa vitesse.
Exemple :
pour cette même Repower MM92 ayant une surface balayée de 6.720 M2
L’énergie cinétique du vent traversant cette surface à 11,20 mètres/seconde sera de 5 806,28644 kW (5,8 Mw)
L’énergie cinétique du vent traversant cette même surface à 24 mètres/seconde sera de 57 131,82720 kW (57,1Mw)
Calculs effectués avec une Masse volumique de l'air (air sec à 15°C et une pression atmosphérique 1013, 2 millibars) (Voir formule dans la Faq)
Masse volumique : 1,23 Kg/m3
Sur cette plage de vents, cette éolienne Repower MM92 produira toujours 2Mw à l’heure
Pour arriver à cette courbe plate, le calage de l’angle des pales au vent s’ouvre (ont dit que le pas de l’hélice passe progressivement du petit pas au grand pas) comparable à un pas de vis (la vitesse de rotation de cette hélice sera alors constante suivant la variable vent suivante : 11,20 m/sec à 24m/sec).
Grâce à l’action automatisée du pas variable « le pas de l’hélice change pour laisser passer plus de vent et limiter cette vitesse de rotation à une rotation compatible avec la structure des pales et de l’hélice elle-même».
Toujours garder à l’esprit que le choix des profils de pales d’une hélice, du nombre de pales, des longueurs de pales est la résultante d’un compromis (fiabilité/énergie récupérée sur une plage de vents donnée).
Si l’hélice tourne trop vite cela engendre des tas de phénomènes néfastes à la fiabilité et au rendement des pales
Tourbillons marginaux en bout de pale (vortex), engendrant une traînée assortie d’un couple inverse supplémentaire à la rotation du rotor.,
La pale précédente produit des turbulences importantes sur sa pale suiveuse (une pale est un profil aérodynamique, elle produit des vagues telles les vagues d’un bateau dans l’eau. Ces vagues ne se voient pas, elles ont plus d’amplitude, elle se propagent plus loin, ceci est du au fluide (l’air ayant moins de masse volumique que l’eau).
Le nombre de g dus à l’accélération centrifuge, à certains endroits de la pale, arrivent à un seuil critique qui provoquera inévitablement la rupture de la pale.
Explication d'un vortex vu sous l'angle aérodynamique :
Un fluide passant autour d'une surface peut se déplacer à une vitesse différente d'un côté et de l'autre de l'obstacle (cas pour un profil d’aile et de pale) . On obtient ainsi par le principe de Bernoulli une pression différente entre ces deux écoulements. Au point de jonction, on a donc une différence de pression et le fluide se déplacera vers la pression la plus basse causant un tourbillon. Un exemple de cela est le tourbillon marginal crée au bout d'une aile d'avion ou d’une pale d’hélice. Ce dernier est parallèle au déplacement de l'appareil ou de la pale et augmente la traînée.
Vortex matérialisé par le passage de l'extrémité de l'aile au dessus d'un fumigène rouge.
Une pale d’hélice est semblable au profil d’une aile d’avion et subit les mêmes règles.
Définition G « accélération gravité » :
Accélération et gravité]
La gravité provoque l'accélération d'une masse qui n'est soumise qu'à cette seule force, lors du mouvement qui par définition est appelé la chute libre. L'intensité de la gravité subie par un corps est donc exprimée sous la forme d'une accélération, notée . Afin de donner une valeur «parlante», on exprime souvent une accélération par rapport à l'accélération moyenne de la gravité sur Terre, en g:
La relativité générale établit que la force de gravité ne se distingue pas localement (c'est-à-dire si l'on considère uniquement un point) d'une accélération, et que c'est la raison pour laquelle masse de gravitation et masse d'inertie ne peuvent être distinguées fonctionnellement. Il est important sur le plan conceptuel de connaître cette équivalence, beaucoup de physiciens utilisant pour cette raison, en abrégé, le terme accélération pour désigner indifféremment une modification de vitesse ou la présence dans un champ de gravité, même en l'absence apparente (dans l'espace 3D) de mouvement.
Définition Accélération centrifuge corrélée aux g :
L'accélération centrifuge est la composante centrifuge (littéralement "qui fuit le centre") de l'accélération d'un corps. Il s'agit donc de l'accélération d'un point matériel, projetée sur le vecteur position depuis un centre donné, et orientée dans la direction qui fuit ce centre..
Pour un point matériel dont la position est repérée depuis l'origine par un vecteur , la norme de l'accélération centrifuge a la valeur : projection de l'accélération (deuxième dérivée temporelle de la position ) projetée sur l'axe de .
Pour en revenir au cas de la rupture de l’hélice sur la vidéo ci-dessus
Mon analyse de la situation est la suivante :
Le pas variable de l’hélice tombe en panne,
Le vent forcit, l’hélice n’est plus régulée par ce pas variable,
La vitesse de rotation s’accélère,
Les g s’amplifient à différents endroits des pales.
Soit il y a rupture du à une vitesse incompatible, (tout se désintègre).
Soit les bouts de pales passent le mur du son (ce qui explique le bang entendu avec un léger décalage (la prise de vue étant effectuée vent dans le dos : le son se propageant en (vitesse sol) moins vite que les (331 m.s − 1 dans l'air à 0°C), vitesse relative)
Le mur du son créant un onde de choc dans les pales qui sont déjà en dehors d’une utilisation normale (Nombre de g excessifs)
Cette onde de choc est la goutte d’eau qui va provoquer la cassure d’une pale puis des autres pales par déséquilibrage instantané de l’hélice.
C’est exactement la même technique que le pas variable d'une hélice d’un avion.
Sauf que (en plus) le pas de la pale s’ajuste également pendant le cycle de rotation suivant qu’elle se trouve en hauteur ou près du sol.
Ceci afin d’éviter l’effet de cisaillement du roulement primaire du rotor (roulement qui se trouve juste derrière le cône de l’hélice).
Le vent n’étant pas à la même vitesse suivant la hauteur par rapport au sol (rugosité du sol etc…)
La vitesse du vent par rapport à la distance du sol ne suit pas une règle linéaire mais une courbe exponentielle plus ou moins prononcée suivant la rugosité du sol.
Ce système est également cause d’usure des roulements de pale qui arrivent à marquer.
L’entretien est particulièrement lourd en moyens techniques, par conséquent coûteux.
En général le contrôle du pas (Pitch en langage technique éolien) est commandé par des moteurs électriques indépendamment sur chaque pale.
C’est pratiquement le même principe sur toutes les éoliennes industrielles à hélice ayant un rotor à axe horizontal dans le sens du vent.
De ce fait, c’est un plus compliqué que l’hélice à pas variable d’un avion,
C’est également moins fiable lorsque les pales se comportent en paratonnerre (texture des grandes pales renforcées de fibre de carbone : conductrice d’électricité).
Les paratonnerres d’éolienne devenant inefficaces lorsque les pales au cours de leurs rotations dépassent le point haut du paratonnerre.
En cas de grosses décharges sur les pales, les shuntages des roulements (balais) ne suffisent (très souvent) pas à évacuer toute l’intensité (ampèrage), cette puissance électrique phénoménale arrive à passer par arcs électriques dans les roulements et flash également les moteurs de commande des pales.
Dans ce cas, les commandes de pales peuvent être endommagées et ceci justement pendant des variations de vents importantes (orages).
Le rotor s’emballe, les mises en sécurité (souvent commandées par des courants faibles) sont en général également touchées par la foudre et ne fonctionnent plus.
C’est le scénario catastrophe qui commence, sans possibilité d’intervenir, le frein de rotor étant inefficace à cette vitesse de même que l’orientation de la nacelle qui reste dans son axe à cause de l’effet gyroscopique du rotor. Effet gyroscopique de plus en plus important en fonction de la vitesse de rotation du dit rotor.
Ne jamais oublier que l’axe d’un gyroscope reste pointé sur la même étoile (fixité dans l’espace).
Faite l’expérience avec une toupie en rotation rapide, reposant sur un plateau que vous inclinez (l’axe de la toupie restera toujours pointé sur le même point de l’espace « principe des plate formes à inertie fonctionnant avec 3 gyroscopes dont les axes sont disposés dans les trois dimensions, cette technique est toujours utilisée en navigation spatiale »).
Dans ce cas catastrophique, les forces sont tellement importantes que les moteurs commandant l’orientation de la nacelle, ne sont plus assez puissants pour désorienter la nacelle et mettre l’hélice de profil par rapport au flux du vent.
Lorsque qu’un moteur électrique ne peut pas tourner à sa vitesse, l’intensité augmente, il surchauffe et ça disjoncte.
Ne jamais oublier qu’un moteur électrique bloqué équivaut à un court circuit lorsqu’il est mis sous tension.
. Afin de donner une valeur «parlante», on exprime souvent une accélération par rapport à l'accélération moyenne de la gravité sur Terre, en g:
, la norme de l'accélération centrifuge a la valeur 
: projection de l'accélération (deuxième dérivée temporelle de la position 
) projetée sur l'axe de 
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