Prototype N° 3

L'objectif de cette page est de présenter une manière de réaliser un moule en composite femelle, à partir d'un master. Ce n'est peut être pas la solution mais une solution qui marche.

Pour concevoir ce nouveau rotor, le cahier des charges était le suivant :

- Diamètre 1 mètre : imposé par Fred pour l'installer facilement sur le voilier.
- Fonctionner à fréquence de rotation réduite 500 à 900 tr/mn afin de limiter le bruit.
Le lambda sera fixé à 6.
- Le nombre de pale sera de 3.
- Le profil sera un NACA 4412.

Le tableur "calcul d'une pale" a été utilisé pour déterminer le vrillage ainsi que la corde de la pale. Cette pale permettra de valider l'exactitude des résultats issus de ce tableur et par conséquent ma manière de voir les choses, c'est à dire :

- Fonctionnement du profil de la pale à incidence constante sur toute l'envergure.
- Fonctionnement du profil à Reynolds constant sur toute l'envergure.

Le pied de pale sera en acier étiré de diamètre 8 mm.

Un cône d'hélice viendra cacher le moyeu de l'éolienne. Il n'a aucun rôle aérodynamique, il est purement esthétique.

Le plan ci-dessous donne une idée du projet tel qu'on l'imagine.

Le cône d'hélice sera en deux parties, avant et arrière du pied de pale.
Le pied de pale sera pincé entre les deux flasques du moyeu.
Les pales seront indexables afin de pouvoir affiner le lambda.

Réalisation du moule de la partie avant du cône d'hélice

Master et Moule
du cône d'hélice

Le master du cône est sera usiné à la machine à commande numérique dans de la mousse polyuréthane d'isolation (de couleur rose pale).

Le courses de la machine étant insuffisantes, le cône a été réalisé en 6 parties colées entre-elles après usinage.

Les deux formes ainsi obtenues (avant et arrière) ont été recouvertes de 3 couches de résine polyester afin de durcir la surface. Cette résine a été poncée afin d'obtenir un fini de surface régulier et lisse.

Une peinture en bombe pour automobile a été appliquée en 3 voire 4 couches puis poncée au papier de verre 600 puis 1000. Puis le tout à été polishé, lustré.

Mise en place
du master

Au préalable, j'ai découpé le plan de joint dans du PVC de 3 mm, en essayant de m'approcher le plus possible du master. La découpe est réaliser avec une bonne cisaille à tôle.
Quatre trous coniques ont été réalisé afin de servir de pions de centrage.

Le calage du plan de joint a été réalisé avec des morceaux de polyuréthane et une couche bien grasse de pâte à modeler.

Le plus difficile à été de bien placer le plan de joint sur le plan de symétrie du cône d'hélice.

Le plan de joint positionné correctement, il ne me restait plus qu'à reboucher les creux à la liaison plan/cône à la pâte.

Application
du démoulant

J'ai utilisé un démoulant liquide à base d'alcool polyvinylique. Celui-ci s'étale au pinceau et sèche en une heure environ en ne laissant qu'une couche de quelques microns lisse et brillante. Ce démoulant résiste aux attaques de la résine polyester et acétone, mais part facilement à l'eau tiède.

L'inconvénient est qu'il faut remettre à chaque moulage une couche de démoulant, ce qui peut être fastidieux si l'on en fait beaucoup.

Application
du gel coat

Une couche épaisse de gelcoat est appliquée sur toute la surface,

Stratification
du moule

Puis lorsque le gelcoat polymérise et devient poisseux (amoureux dans le jargon dédié), je stratifie avec une résine polyester et tissus de verre.

Je commence par le tissus le plus fin afin d'épouser au mieux les surfaces pour finir par du mat de verre. La surface finie fait 5 à 6 mm d'épaisseur afin d'assurer une bonne rigidité du moule.

Démoulage  du
plan de joint

Après polymérisation complète du moule, je démoule le plan de joint, je ne touche surtout pas à la liaison master/moule

On commence à voir à quoi va ressembler le moule.

Application
du démoulant

Ne pas oublier d'appliquer le démoulant sur toute la surface.

Application
du gel coat

Application du gelcoat en couche épaisse.

Stratification
du moule
2ème partie

Stratification de la 2ème partie du moule, idem à la première.

Le master est maintenant totalement prisonnier du moule.

Démoulage
Ebarbage

Après polymérisation, j'ai percé les trous destinés à recevoir les vis de serrage du moule. J'ai placé les vis et seulement après j'ai ébarbé le moule.

Le moule étant ébarbé, les deux partie peuvent être séparées.

Le démoulage complet s'est fait sans problème. Le master est intact.

Moulage du
1er cône

Polymérisation puis démoulage. Le résultat est plus que convenable, le plan de joint est invisible.

Réalisation de la partie arrière du cône d'hélice

On peut remarquer les deux pions de centrage sur le plan de joint et sur la photo du bas, le master qui a servi à fabriquer le moule qui a lui-même servi à fabriquer la partie arrière du cône d'hélice.

On peut observer ci-dessous la différence de qualité de surface entre la partie avant et arrière. En effet, sur la partie arrière je n'ai pas pris la précaution de mettre deux couches de résine. Lorsque j'ai posé le tissus, de minuscules bulles d'air sont venues se placer au contact du moule à l'intersection de deux fibres du tissus de verre. Le résultat n'est pas concluant, il faut enduire légèrement avant de peindre.

Sur la partie avant du cône, la couche de résine polymérisée fait office de gelcoat, rendant la surface lisse et brillante.

Réalisation du moule de pale

Réalisation
du master

Les nervures ont été réalisées à la machine à commande numérique dans de l'époxy 1.5 mm. Le trou de guidage a été prévu afin que le bord d'attaque de la pale soit approximativement rectiligne.
Les nervures ont été enfilées sur un tube d'aluminium en pied de pale et de carbone en bout de pale. Toutes les nervures ont été placées au bon endroit et au bon angle à l'aide d'un rapporteur de précision. Après plusieurs contrôles, les nervures ont été collées à la colle cyano.

Pour faire la forme de la pale, j'ai utilisé des blocs de mousse polyuréthane, coupées à la largeur entre deux nervures puis collées. Le tout a été poncé, les nervures plus dures servant de guide.

L'ensemble a été recouvert de plusieurs couches régulières de résine polyester, puis poncé au 600 puis 1000.

J'ai tronçonné le tube guide en aluminium puis percé les 5 premiers couples afin de placer un tube en aluminium de diamètre 8 mm qui matérialisera dans le moule l'emplacement de l'axe de fixation de la pale.

Après enduit et ponçage, le master est prêt à la peinture (idem cône).
Penser à mettre sur le premier couple une forme arrondie qui servira de dépouille afin de faciliter le démoulage.

Au final, le profil et le vrillage sont respectés, le seul bémol vient de l'aspect à facette de la pale dû au contraste entre partie dure de la nervure et partie molle de la mousse polyuréthane. Je ferai mieux la prochaine fois.

Réalisation du
plan de joint

Réalisation
du moule

Le moule a été renforcé à l'intrados et extrados par une cornière en acier.

Le démoulage s'est passé sans encombre. 

Réalisation
des axes

Sur les trois photos ci-contre, une modification a été apportée aux axes : un usinage en forme conique des extrémités permettant un enfoncement du pied de pale de 10 mm supplémentaire dans le moyeu et la réalisation d'une saignée qui permettra le placement d'une clavette. Cette clavette aura pour but de sécuriser la pale dans le moyeu, l'empêchant de s'extraire par la force centrifuge en cas de desserrage des vis de fixation du moyeu.

On peut noter 5 axes destinés à une évolution 5 pales du rotor.

Stratification de
la 1ère pale

Le tissus de verre est du plus fin grammage possible, celui-ci ne servant qu'à faire la peau de la pale. Ce tissus sera utilisé en deux couches à l'intérieur desquelles vont courir les fils de carbone et de kevlar.

Les tissus seront découpés en prenant soin de mettre les fibres à 45° de l'axe de la pale afin d'augmenter la résistance à la torsion. Les mèches de carbone et kevlar se chargeront de la résistance à la flexion.
Le kevlar du fait de sa ténacité évitera l'éclatement des parties en cas de détérioration en utilisation.

J'ai réalisé un patron permettant de toujours découper le tissus à la même taille. Placer un scotch sur le tissus avant la découpe, sinon lors du transport, la pièce de tissus va se déformer du fait des fibres à 45°.
Attention, appliquer au préalable le scotch sur une surface poussiéreuse afin qu'il colle encore un peu mais pas trop. Sinon lorsque le tissus est en place dans le moule et que l'on enlève le scotch, des morceaux de fibre sont arrachées.

Dans l'ordre :
- démoulant sur le moule
- deux couches de résine polyester (sans charge) pour empêcher le bullage en surface (ne pas mettre sur le plan de joint).
- un tissus fin grammage à 45° qui ne doit pas dépasser sur le plan de joint.
- les fibres de renfort (carbone/kevlar ou verre si pas autre chose) disposées dans le sans longitudinal.
- un tissus fin grammage pour emprisonner les fibres de renfort.
- placer l'axe sur l'une des parties en s'assurant bien que rien ne dépasse et que les deux parties pourront s'assembler ultérieurement.
- Essai à blanc pour voir si le moule ferme.
- Collage des deux parties avec un mélange résine/microballon/silice afin d'avoir un mélange léger et pâteux.
- Serrage entre pinces et serre-joints.

Après polymérisation, j'ai "étuvé" entre deux lampes halogènes de 150W pendant 4 heures. C'est peu économique mais efficace.

Le démoulage se réalise sans problème. Il ne reste qu'à ébavurer la pale. Le plan de joint est impeccable.

Équilibrage

Il ne reste plus donc qu'à remplir les pales les plus légères afin quelles pèsent au grammes près la masse de la pale la plus lourde. Un trou de diamètre 3 mm sera percé vers le pied de pale dans un endroit de moindre résistance, la résine sera introduite à la seringue.

Afin de garantir un équilibrage dynamique, il faut aussi s'assurer que le centre de gravité de chacune des pales soit placé au même endroit. La masse de résine adéquate dans chaque pale sera placée plus vers le pied ou vers le bout de pale pour parfaire l'équilibrage.
Le centre de gravité de mes pales se situe à 138 mm de l'emplanture après équilibrage.

Finition
Assemblage
Essais

Le rotor tripale (moulage des 3 pales + conception/fabrication du moyeu) a été réalisé en 4 jours ce mois d'août 2006. Fred et moi étions impatient de voir tourner ce nouveau rotor.

Un petit coup de machine à commande num et hop un moyeu s'ajustant aux petits oignons.

Les premiers essais ne sont jamais concluants du fait du calage approximatif des pales et surtout d'un emplacement de l'éolienne dans un flux d'air perturbé.
Nous avions à notre disposition le système de régulation de Thomas qui a été utilisé en premier lieu pour calibrer l'éolienne. Celui-ci nous a permis de connaître le lambda à vide (rapport de la vitesse en bout de pale et de la vitesse du vent) de notre rotor afin de réajuster le calage des pales.

L'installation sur le ponton B du port nous a permis de mieux apprécier les qualités du nouveau rotor.
Puisque le calibrage nécessite de laisser tourner le rotor à vide, il n'a pas fallu attendre longtemps pour que celui-ci prenne des tours dans la rafale. Les 2000 tr/mn ont été atteints sans problème, sans vibration ni flutter.

Le système de régulation  n'a pas résisté aux variations brusques du courant lors du passage automatique du mode calibrage au mode régulation. Un transistor et une diode sont parties en fumée. Heureusement le mode calibrage marchait encore ce qui nous a permis de continuer les tests du rotor.

Le rotor équipait alors la génératrice à courant continu 48V, branchée en direct sur la batterie. On a vite constaté que la fréquence de rotation tournait aux alentours de 350 à 500 tr/mn Max, fréquence imposée par le couple génératrice/batterie. Le calage de l'éolienne a donc été revu à la baisse afin de fonctionner à un lambda de 3,5. Les pales ne travaillaient donc plus dans la meilleure plage et surtout le courant tiré de la génératrice était inférieur de 50% à nos espérances.

La conclusion a été vite faite : compte tenu du faible lambda, le rotor ne capte plus toute l'énergie. Si les pales ne sont pas assez nombreuses, il existe des "trous" dans le rotor, une partie de l'énergie passe au travers de celui-ci sans être captée. Le temps passé à fabriquer les moules me décourageait de recommencer à nouveau, d'autant plus que la solution était simple. En mettant 5 pales au rotor, le problème était résolu.

De plus les études montrent qu'il est souhaitable de posséder plusieurs pales afin de minimiser les pertes en bout de pale. On augmente de 10% la puissance en passant d'une pale à 2 pales, de 3% de 2 à 3 et de 1% par pale supplémentaire. C'est alors que du bénéfice.

Le nouveau rotor 5 pales est aujourd'hui encore en construction.

Finition :

Les pales sortent du moule avec un état de surface quasi parfait, un léger ponçage au 600 puis 1000 permet de lisser les éventuelles aspérités.
Un apprêt en bombe puis une peinture en bombe a été appliqué pour un résultat très satisfaisant.

Rotor 5 pales

En raison de l'abaissement du lambda, le rotor est passé de 3 à 5 pales.

Aucune remarque technique particulière. Je vais placer les photos les unes à côté des autres au fur et à mesure de l'avancement des travaux.

Mise en croix du rotor pour le fun.

Pales après la couche d'apprêt.

Pales et cône après peinture.

Réalisation du moyeu

Le moyeu est constitué de deux flasques qui viennent mettre en pression les axes de pied de pale. Un alésage dans le moyeu permet de retenir les pales dans le sens axial. Chaque pied de pale comporte une saignée destiné à y placer une clavette. Les clavettes viennent en appui sur le flasque empêchant ainsi l'extraction de la pale du moyeu par la force centrifuge. Bien sûr la clavette est une sécurité ne devant fonctionner que si les vis de serrage des flasques venaient à se desserrer.

Après 3 heures de cogitation et  réalisation  en CAO des flasques, l'usinages peut être réalisé.

CAO :

FAO 3D destiné à l'usinage des demi-cylindres et simulation de l'usinage.

FAO 2D destiné au perçage et découpe des flasques et simulation de l'usinage.

Usinage en commande numérique :

Conclusion

Pour 40 km/h de vent :
- 1.00 m : 9 A
- 1.40 m : 18 A

Même si le nouveau rotor marche bien, sa taille ne permet pas l'impossible !!!

Une éolienne sur un voilier : Est ce une bonne idée ?
Une éolienne de petit diamètre produit peu en tous cas pas assez pour compenser la consommation des instruments + PC + frigo. Elle devient intéressante à des vitesses de vent où il serait plus sage de la stopper. Une éolienne vibre perchée sur son mat, même si l'éolien est silencieux, la génératrice en production émet toujours un bruit, si vous avez le sommeil lourd, pas de problème. Sur une allure au  portant ne comptez pas produire des kilo-Watts. En crique,  il est généralement plus confortable de s'installer à l'abri du vent, donc pas de Watts. Au ponton il est dommage de laisser user votre "chère" éolienne alors que le 220V ne vous coûte rien de plus...

Mais une éolienne c'est joli, ça donne de la gueule au voilier et les constructeurs professionnels en profitent tous pour vous prouver à coup d'abaques dopés sur-vitaminés que vous n'avez pas misé 1500 € pour rien.

On a rien à vendre, notre avis n'engage que nous, mais avec le recul et l'expérience, si l'éolienne n'est pas une passion, un bon panneau solaire à 1500 € aura l'avantage en plus de vous faire de l'ombre. Pour les collectionneurs de miles, il faut peut être réfléchir à l'alternateur d'arbre d'hélice. Sinon un coup de moteur ne nécessite aucun investissement, c'est moins écolo mais très efficace.