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Conception d'une pale d'éolienne de grande envergure à l'aide de techniques d'optimisation structurale

Forcier, Louis-Charles (2010). Conception d'une pale d'éolienne de grande envergure à l'aide de techniques d'optimisation structurale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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'éoliermes faites de composites 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 concepfion d'une pale d'éolienne.

D'abord, la pale et l'éolienne étudiées sont définies, ce qui permet d'évaluer les chargements sur les pales en suivant la norme lEC 61400-1 de la Commission Électrotechnique Internationale.

Quatre cas critiques représentant les différentes situations auxquelles peuvent être soumises les pales sont choisis : éolienne en fonctiormement 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 optimisation 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 constituée d'un longeron et de nervures.

Dans la deuxième étape du processus de conception, des optimisations dimensionnelles sont effectuées 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 différentes 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.

Titre traduit

Design of a large wind turbine blade using structural optimization techniques

Résumé traduit

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 design 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 critical 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 material. 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 classical 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.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr. : f. [123]-129.
Mots-clés libres: Éoliennes Conception assistée par ordinateur. Éoliennes Simulation par ordinateur. Optimisation des structures. Énergie éolienne, composite thermoplasfique, pale d'éolienne, optimisation structurale.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 14 mars 2011 15:37
Dernière modification: 20 janv. 2017 20:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/639

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