Auto-construction Guide

Construction Manual of a Cross-Flow/Banki Turbine

May 2017

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Table of contents I] Introduction to the hydraulic and the Banki turbine ........................................................................... 2

1) General information ........................................................................................................................ 3

2) Reasons of this manual ................................................................................................................... 3

3) History and Functioning of the Banki Turbine ................................................................................ 3

Hydroelectricity ............................................................................................................................... 3

TheCross-Flow Turbine .................................................................................................................... 3

II] Hydraulic ............................................................................................................................................. 4

1) Measuring the potential .............................................................................................................. 4

2) Environmentalprecautions .......................................................................................................... 6

3) Appropriateprecautions .............................................................................................................. 6

III] Construction ....................................................................................................................................... 6

1) The turbine .......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

a) The wheel ................................................................................................................................ 6

2) The deflector ......................................................................................................................... 13

3) Structure and final assembly ................................................................................................. 18

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Figure 1: Hydroelectric Dam .................................................................................................................... 3

Figure 2: Dimensions de la roue .............................................................................................................. 7

Figure 3: Présentation des variables sur la roue ..................................................................................... 7

Figure 4: dimensions sur la roue ............................................................................................................. 8

Figure 5: Repère droit sur le tuyau pour la découpe des pales............................................................... 8

Figure 6: Marquage des pales sur le tuyau ............................................................................................. 9

Figure 7: Marquage des pales sur le tuyau 2........................................................................................... 9

Figure 8: Pales découpées ....................................................................................................................... 9

Figure 9: Flasques de diamètre D découpées ....................................................................................... 10

Figure 10: Repérage des fixations du moyeu sur les flasques ............................................................... 10

Figure 11: Traçage des encoches sur les flasques ................................................................................. 11

Figure 12: Flasques numérotées avec les pales insérées ...................................................................... 11

Figure 13: Mise en place des tiges filetées sur les flasques .................................................................. 12

Figure 14: Alignement des flasques ...................................................................................................... 12

Figure 15: Placement des cales ............................................................................................................. 12

Figure 16: Trous pour la fixation des pales ........................................................................................... 13

Figure 17 ................................................................................................................................................ 14

Figure 18 ................................................................................................................................................ 15

Figure 19 ................................................................................................................................................ 15

Figure 20 ................................................................................................................................................ 16

Figure 21 ................................................................................................................................................ 16

Figure 22 ................................................................................................................................................ 17

Figure 23 ................................................................................................................................................ 17

Figure 24 ................................................................................................................................................ 17

Figure 25 ................................................................................................................................................ 18

Figure 26 ................................................................................................................................................ 18

Figure 27 ................................................................................................................................................ 22

Figure 28 ................................................................................................................................................ 24

Figure 29 ................................................................................................................................................ 25

Figure 30 ................................................................................................................................................ 26

Figure 31 ................................................................................................................................................ 26

Figure 32 ................................................................................................................................................ 27

Figure 33 ................................................................................................................................................ 27

Figure 34 ................................................................................................................................................ 28

Figure 35 ................................................................................................................................................ 28

Figure 36 ................................................................................................................................................ 29

Figure 37 ................................................................................................................................................ 29

Figure 38 ................................................................................................................................................ 30

Figure 39 ................................................................................................................................................ 30

Figure 40 ................................................................................................................................................ 31

Figure 41 ................................................................................................................................................ 31

Figure 42 ................................................................................................................................................ 31

Figure 43: Réglage ................................................................................................................................. 31

Figure 44: Réglage de la roue en hauteur ............................................................................................. 32

Figure 45: Réglage horizontal de l'injecteur .......................................................................................... 32

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I] Introduction to hydraulics and Banki turbine 1) General information Price (with everything new) Construction duration Material needed Tools needed

2) Reasons of this manual Nous avons réalisé ce manuel pour permettre à tout le monde de construire sa propre turbine hydraulique, avec des matériaux, du matériel et des outils accessibles le plus facilement possible. Les plans de la turbine sont interprétables à souhait en fonction des outils et de la matière première que vous possédez. Nous souhaitons mettre en place une technologie participative, où le retour d’expérience de chacun permettra d’améliorer les méthodes de construction et la technologie de la turbine.

3) History and Functioning of the Banki Turbine

Hydroelectricity The energy contained in the rivers has been exploited since more than two thousand years in water-mills. In the middle of the nineteenth century, waterwheels were used to produce electricity, it was the beginning of hydroelectricity. Waterwheels have been progressively replaced by turbines at the beginning of the twentieth century. Nowadays, hydroelectricity accounts for 16 percent of the global electricity generation. Instead of using the speed of the flow at a certain point in a river or the speed of the water falling from a waterfall, the turbine uses the pressure of the water coming in a pipe plug in the upstream section of the river. This pressure, created by the weight of the water in the pipe, is transformed in the turbine into electricity. The height gap used might be a natural difference of height or the consequence of a dam.

Figure 1: Hydroelectric Dam

The Cross-Flow Turbine The Cross-Flow turbine, also called the Banki Turbine, was designed by Anthony Mitchell in 1903. “The turbine consists of a cylindrical water wheel or runner with a horizontal shaft, composed of numerous blades (up to 37), arranged radially and tangentially. The blade's edges are sharpened to reduce resistance to the flow of water. A blade is made in a part-circular cross-section (pipe cut over its whole length). The ends of the blades are fixed to disks to form a wheel shaped like a cage. The water flows first from the outside of the turbine to its inside. The regulating unit, shaped like a vane or tongue, varies the cross-section of the flow. The water jet is directed towards the cylindrical runner by nozzle. The water enters the runner at an angle of about 45/120 degrees, transmitting some of the water's kinetic energy to the active cylindrical blades.

Hydraulique Head

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The turbine geometry (nozzle-runner-shaft) assures that the water jet is effective. The water acts on the runner twice, but most of the power is transferred on the first pass, when the water enters the runner. Only ⅓ of the power is transferred to the runner when the water on the second path. The water flows through the blade channels in two directions: outside to inside, and inside to outside. Most turbines are run with two jets, arranged so two water jets in the runner will not affect each other. It is, however, essential that the turbine, head and turbine speed are harmonized. The cross-flow turbine is of the impulse type, so the pressure remains constant at the runner.” Inspired from Wikipedia-“Cross-Flow Turbine” In our model, the regulation system is just a parameter we fixed during the construction of the turbine. It’s an “easy building” solution.

II] Hydraulic 1) Potential measure

Avant de commencer la construction de la turbine il vous faudra compléter les informations suivantes.

Mesurer la chute :

Figure 2: Mesure de la chute

- H= …………..(m)

Mesurer le débit : 1. Mesure de la vitesse moyenne du courant

V= D/t avec : V : vitesse moyenne en m/s D : distance entre 2 points en mètres t : temps en secondes Choisir une section de jaugeage où les filets d'eau sont parallèles entre eux. Pour cela enlever tous les obstacles (cailloux, branches, etc.) compris dans la zone d'étude qui modifient localement l'écoulement du cours d'eau.

Vocabulaire

o Chute

o Débit

o Roue

o Pales

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Figure 3: Filets d'eau parallèles et perturbés

Technique du flotteur lesté Prendre une bouteille remplie d'eau ou un bout de bois comme flotteur Définir un point de départ (1) et un point d'arrivée (2) Mesurer la distance entre ces 2 points puis la noter (D en mètres) Mettre le flotteur dans l'eau, le plus au centre possible, et mesurer le temps qu'il met pour arriver jusqu'au point 2 Calculer la vitesse moyenne du courant.

- V= …………. m/s

2. Mesure de la surface mouillée Afin de connaître la morphologie du fond du cours d'eau au niveau de la zone d'étude (section de jaugeage) dans le but de calculer sa surface mouillée, il est nécessaire de faire des relevés de la hauteur d'eau de la section de jaugeage.

Figure 4: Surface mouillée

Mesurer la distance entre les berges et la noter (L en mètres) Faire des relevés de hauteur d'eau à l'aide d'un bâton gradué que l'on place au fond du cours d'eau. Faire plusieurs mesures dans la largeur du cours d'eau à intervalles réguliers, perpendiculairement aux berges. Noter les valeurs (h en centimètres) Sur une feuille de papier millimétré reporter les valeurs de h et modéliser le profil de la section Calculer la surface mouillée (Sm) à l'aide du quadrillage et convertir en m² Noter Sm

Appliquer la formule : Q = V x Sm

- Q= (m3/s) et Q’=Q*1000 (l/s) Attention aux unités ! Choisir une conduite Calculer la chute nette :

Si la conduite est suffisamment grosse c’est-à-dire √2 ∗ 10 ∗ 𝐻 ∗ 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 ≫ 𝑄 avec Conduite= πD²/4 D étant le diamètre de la conduite On peut negliger les pertes de charge et dans Hnet=H Sinon il faut calculer les pertes de charge : Hnet = H-ΔH avec ΔH=R*Q² R étant la résistance hydraulique de la conduite.

- V=…………..m/s

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2) Environmental precautions De quoi faut-il se soucier pour éviter les problèmes environnementaux ?

- Problèmes liés aux passages des êtres vivants - Problèmes liés aux passages des sédiments - Problèmes liés aux rejets dans la rivière

Comment éviter ces problèmes ?

- Passes à poissons - Grilles à maillage fin - Passes à sédiments - Matériaux à ne pas utiliser - Mises en œuvre à ne pas effectuer

3) Appropriate precautions L’utilisation de la ressource hydraulique n’est pas sans dangers :

- Risques liées aux conduites/coups de béliers - Risques liées aux parties tournantes - Risques électriques

III] Construction 1) The wheel

Information Construction duration Materials required

Quoi Combien

Planche 400*400*20 2

Planche 400*400*10 1

Tige filetée D12 4*70cm

Tuyau PVC DN125 2m

Boulons D12 ≈ 60

Moyeu 2 ( ?)

Cornière Table 1: Material required

Tools required

Essential tools Useful tools

Scie à métaux et à bois Scie sauteuse

Lime à bois et à métaux Tour

Tournevis Papier et scotch

Perceuse avec mèches 12 et 3

Cutter

Règle 50cm (une cornière sera mieux)

Mètre Table 2: Tools required

Construction attendue et vocabulaire

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Conception

Valeurs indicatives pour une puissance reel de 500 W avec H=4 et Q’=25l/s

A remplir si tableau de dimensionnement

D (mm) 172

L (mm) 100+2*Epf

DN à choisir DN 63

Β (°) 31,44

E (mm) 3

Φ (°) 71

Ρ(mm) 28.5

Table 3: Tableau récapitulatif des dimensions de la roue

Avec Epf l’épaisseur des flasques (les deux cercles en bois de part et d’autre de la roue) Voir les figures ci-dessous pour les explications des valeurs Les dimensions sont présentées sur les figures ci-dessous. Les valeurs peuvent être modifiées en fonction du site et du dimensionnement de la turbine.

Figure 5: Dimensions de la roue

Figure 6: Présentation des variables sur la roue

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Figure 7: dimensions sur la roue

3. construction

Partie I : Les pales Découper le tuyau

Mesurer 50 cm de tuyau et faire une marque. Enrouler une feuille de papier autour du tuyau au niveau de la marque pour avoir un repère droit pendant la découpe et l’attacher avec du scotch. Couper le tuyau à la scie à métaux le long de la feuille.

Figure 8: Repère droit sur le tuyau pour la découpe des pales

Couper les pales

Sur un support, dessiner un cercle de diamètre 125mm et séparer le cercle en 5. Poser le tuyau précédemment découpé verticalement sur le dessin et reporter les 5 marques sur le tuyau.

L

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Figure 9: Marquage des pales sur le tuyau

A l’aide d’une cornière, prolonger les marques sur toute la longueur du tuyau.

Figure 10: Marquage des pales sur le tuyau 2

Couper sur la marque à l’aide du cutter en repassant plusieurs fois. Une fois la découpe entamée, on peut casser proprement les pales.

Figure 11: Pales découpées

Recommencer pour avoir le nombre de pales suffisant.

Limer les pales Limer sur l’extérieur de la pale de manière à créer une arête vive. L’objectif est que la pale ne dépasse pas des flasques qui seront construites dans l’étape suivante.

Partie II : Les flasques Les flasques sont les disques en bois qui vont servir à maintenir les pales en position. On construit deux flasques latérales et, si les pales sont longues la roue de largeur supérieur à 40cm environ, on en rajoute une au milieu pour éviter la flexion des pales.

Découper les flasques

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Tracer un cercle de diamètre (D) sur chaque planche. Bien repérer le centre. Couper les cercles à l’aide d’une scie sauteuse ou d’une défonceuse.

Figure 12: Flasques de diamètre D découpées

Rendre les flasques coaxiales Pour cela il faut faire un patron sur lequel il faut indiquer le centre du moyeu et reporter les positions des fixations de la partie mobile du moyeu autour. Choisir une planche en bois d’une épaisseur d’environ 1,5 cm pour que le patron puisse servir de support pour la suite. Percer des trous de D12 dans le patron au niveau des fixations et du centre avec la perceuse à colonne. Poser le patron sur les flasques en les alignant grâce au centre. Serrer le tout grâce à un serre-joint. Percer les flasques uniquement au niveau des fixations avec la perceuse à colonne.

Figure 13: Repérage des fixations du moyeu sur les flasques

Tracer les encoches sur les flasques

Déposer le plan imprimé de la flasque sur la flasque réalisée précédemment. Le centrer. Tamponner de l’alcool ( ?) ou de l’acétone ( ?) sur la feuille de papier pour que l’encre soit transférée sur le bois. Sinon : A partir des plans, réaliser un patron rigide. Pour cela coller les plans sur une planche fine puis couper sur les lignes en numérotant les encoches. Sur chaque flasque tracer les encoches pour les pales à l’aide du patron en partant du repère.

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Figure 14: Traçage des encoches sur les flasques

Découper les encoches en les numérotant. Vérifier que les pales passent dans toutes les encoches et ne dépassent pas de la flasque.

Figure 15: Flasques numérotées avec les pales insérées

Pour bien arrondir les flasques, on peut construire un porte lime. (Il faut) Ou: - utiliser du papier de verre sur un fer plat. Conseil : Pour le porte lime faire une structure plus rigide. Détailler la construction du porte lime. Attention : Avec la perceuse, le porte lime bouge beaucoup. Partie III : L’assemblage

Positionner les flasques Prendre une des flasques. Faire passer les tiges filetées dans les 4 trous de fixation précédemment percés. Laisser suffisamment dépasser la tige pour pouvoir boulonner. Il est possible de réutiliser le patron réalisé précédemment pour travailler plus confortablement si ce dernier est assez épais. Il faut alors agrandir les trous des fixations pour laisser passer les écrous. Boulonner les tiges de chaque côté de la flasque. Mettre 4 écrous sur chaque tige filetée au niveau de la flasque suivante (fine s’il y a un flasque centrale, épaisse s’il n’y a que deux flasques en tout. Insérer la flasque et recommencer l’opération si besoin. Bien aligner les trous.

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Figure 16: Mise en place des tiges filetées sur les flasques

En vissant doucement les écrous, mettre les flasques bien parallèles. Utiliser le niveau pour vérifier le parallélisme et tourner les boulons en tournant autour de la roue. On peut mettre des contre-écrous pour une meilleure tenue. Recommencer avec l’autre flasque.

Figure 17: Alignement des flasques

Positionner les pales

Si besoin, fabriquer deux (ou quatre s’il y a une flasque centrale) cales qui se calent entre les flasques. Elles doivent passer entre deux pales. Glisser les pales une à une en mettant les quatre cales autour. Vérifier que les pales ne dépassent pas des flasques. Limer les encoches des flasques si besoin.

Figure 18: Placement des cales

Cales

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Pré-percer au diamètre juste inférieur des vis avec une perceuse chaque pale et chaque flasque (1 sur 2 si il y a une flasque intermédiaire) le long de la ligne en pointillé rouge (cf. ci-dessous) afin de faciliter l’insertion des vis. Visser les pales dans les flasques. Taille vis ??

Figure 19: Trous pour la fixation des pales

Découper les pales qui dépassent des flasques. Limer les têtes de vis pour qu’elles ne dépassent pas des flasques.

a) The deflector 1. Information

Construction duration: 10h cb de personne

Material required

Quoi Combien

Vis

Vis

Planches P1 2

Planches P2 2

Planches P3 2

Tasseaux T1

Tôle 1 1

Tôle 2 1

Cornière Table 4: Matériel nécessaire

Tools required

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Matériel Nécessaire Matériel utile

Scie à bois Défonceuse

Scie à métaux Scie circulaire

Tournevis Disqueuse

Lime à bois Serre-joints Table 5: Outils nécessaires

Conception

La forme de l’injecteur est prévue pour que l’eau arrive sur la roue avec le même angle d’incidence (17°) sur toute la longueur de l’arc d’injection. Construction attendue et vocabulaire

2. Construction Partie I : Les cadres Photo impression + collage Collez les calques « joue intérieure haut » (gauche et droite) (voir annexe) sur les planches P1, si possible de manière à ce que le rebord supérieur de la partie supérieure suive les bords des planches. Collez les calques « joue intérieure bas » gauche et droite (voir annexe) sur les planches P2, si possible de manière à ce que le rebord inférieur de la partie inférieure suive le bord de leur planche. Découpez la planche le long de la forme.

Figure 20

Découper des tasseaux de type T1. Les tasseaux doivent être fixés le long du rebord qui sera tourné vers l’intérieur du déflecteur. Ainsi, ils soutiendront la tôle :

Assembler les deux planches découpées correspondant à la partie basse à l’aide des tasseaux. Nous l’appellerons cadre inférieur.

Attention : les tasseaux ne devront pas gêner la rotation de la roue. Il peut être nécessaire de couper l’angle d’un tasseau pour qu’il rentre correctement. Assembler les deux planches découpées correspondant à la partie haute à l’aide des tasseaux.

Nous l’appellerons cadre supérieur. Attention: il est important que le tasseau qui est à l’extrémité finale de la courbure (là où l’eau

va sortir du déflecteur) soit tangent à la courbe sur la fin. Une ou plusieurs cales peuvent être ajoutées pour ajuster.

Joue intérieure haut

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Figure 21

Partie II : les tôles Définir approximativement la longueur de tôle à découper. Pour vous aider, vous pouvez utiliser une ficelle longeant la tranche de votre planche découpée ou de votre calque. Mieux vaut que la tôle soit un peu trop longue.

Découpez les tôles à cette longueur pour les fixer sur la face intérieure des cadres. Vissez les tôles dans la tranche des planches. Pour ajuster la position correctement, aidez-vous de serre-joints.

Figure 22

Partie III : Les pièces latérales et l’assemblage

Posez le cadre supérieur le long de deux rebords de votre planche P3 en le positionnant dans l’angle, puis tracer au crayon le contour du cadre supérieur du côté extérieur de l’injecteur.

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A partie du point extrême du déflecteur (le plus proche de la roue) tracez le centre du cercle à partir des longueurs A, B et C. Puis tracez le cercle (voir plans injecteur)

Figure 23

Figure 24

Positionnement de la partie basse : L’extrémité du cadre inférieur doit venir se positionner à la même hauteur que l’extrémité du cadre supérieur (à droite sur la photo). Les deux cadres doivent être parallèles. Tracer le contour de la partie basse du côté extérieur de l’injecteur. Découpez ensuite la planche qui servira de partie latérale de manière à ce que vous puissiez visser les cadres dessus. C’est-à-dire, découpez la partie latérale selon les bords extérieurs des cadres et le long de l’arc de cercle.

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Figure 25

Réalisez symétriquement la seconde partie latérale. Vissez ensuite les cadres sur les parties latérales.

Figure 26

Faire quatre encoches dans la coque pour laisser passer la structure. Attention, ne pas découper

jusqu’à la tôle.

Figure 27

Joue (vient se placer au dessus des joues

intérieures hauts et bas par rapport à la photo

ci dessous

Joue intérieure

haut

Joue intérieure

bas

Joue intérieure haut

Joue intérieure bas

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Figure 28

Découper deux morceaux de cornière de la dimension de la largeur de l’injecteur et deux entre

les encoches de l’injecteur.

Percer les cornières pour pouvoir les visser sur l’injecteur afin de le poser sur des rails. Ces rails

doivent être légèrement plus hauts que les encoches.

Figure 29

Mettre du joint sur tout l’intérieur de la structure.

b) Transmisson La transmission mécanique permet de transmettre la puissance de la roue de la turbine à la génératrice. Dans la plupart des cas, la vitesse de rotation de la turbine ne convient pas à la génératrice, on ne peut donc pas avoir l’alternateur sur la même ligne d’arbre que la roue de la turbine. Il faut un organe entre les deux pour les relier et pour adapter la vitesse de rotation. Dans le cas d’un alternateur auto-construit, type Piggott, il faut le dimensionner pour la vitesse de rotation nominale de la turbine, et on se passera de transmission mécanique. Une transmission est faite via une courroie, ou une chaine, entrainée et entrainant des poulies. La poulie motrice, sur la roue de la turbine, va entrainer la courroie, qui va faire tourner la deuxième poulie, qui entrainera la génératrice. La différence de vitesse de rotation entre les deux poulies est due au diamètre des poulies. Plus la différence de diamètre n’est importante, plus le rapport des vitesses sera important. Pour augmenter la vitesse de rotation, ce qu’il faudra souvent faire pour les turbines banki, il convient de mettre une grosse poulie motrice, et une petite poulie de l’autre côté. Une transmission à plusieurs étages, c’est-à-dire plusieurs courroies d’affilé, est possible, mais plus il y a d’étages, plus il y a de pertes de rendement. On utilise les courroies plutôt pour les hautes vitesses, et les chaines pour des plus faibles vitesses avec de gros couples. Pour nos puissances, tout peut convenir. Il est cependant plus facile de fabriquer une transmission par courroies, puisque les poulies des chaines nécessitent des pignons (dents) adaptés à la chaine. Il est

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toutefois possible de récupérer une transmission par chaine sur des appareils, comme les vélos et les motos.

2) The Transmission Il faut d’abord connaitre la vitesse de rotation de l’alternateur. Dans la plupart des alternateurs, elle dépend du nombre de paires de pôles, et vaut souvent 1500 tr/min. Dans le cas des génératrices auto-construites, elle est décidée lors du dimensionnement. La vitesse de rotation de la roue de la turbine dépend du dimensionnement. Elle est calculée en fonction de la hauteur de chute et du diamètre de la roue. Pour une turbine Banki, elle est souvent comprise entre 200 et 600 tr/min.

Une fois les deux vitesses connues, il faut diviser la vitesse de la génératrice par celle de la roue de la turbine pour obtenir le rapport de réduction voulu. Prenons par exemple le cas simple d’une turbine ayant une vitesse nominale de 300 tr/min et d’un alternateur à 2 paires de pôles (classiques) tournant à une vitesse de 1500 tr/min. On obtient donc un rapport de réduction de 5 : cela veut dire qu’il faudra augmenter la vitesse de rotation de la turbine par 5 pour faire tourner correctement la génératrice. La poulie motrice aura donc un diamètre 5 fois plus grand que l’autre (attention le couple sur l’arbre de la génératrice sera 5 fois plus faible que celui sur la roue de la turbine, au rendement près).

Plusieurs solutions sont donc possibles en fonction des matériaux que l’on trouve. Le plus facile pour augmenter 5 fois la vitesse de rotation (à faible puissance) est d’utiliser la transmission d’un vélo : elle va généralement entre x2 et x10. Il convient d’attacher le plateau du vélo sur l’arbre de la turbine, et la cassette à l’arbre de l’alternateur, de les aligner sur le bon rapport, et d’utiliser la chaine du vélo. Sur des poulies à pignons, on peut compter les pignons plutôt que de mesurer le diamètre. Il faut qu’il y ait 5 fois plus de pignons sur le plateau que sur la poulie à l’arrière dans le cas de notre exemple.

Construction

Tout dépend des choix faits. Pour construire des poulies, il faut faire des disques du bon diamètre, Nous n’avons pas encore de solutions pour construire des courroies suffisamment résistantes, mais elles se récupèrent. Les chaines se récupèrent sur différents appareils, surtout des vélos et des motos. On peut les étendre en rajoutant des maillons. Les pignons sont très difficiles à construire puisqu’il faut être bien régulier et les construire spécifiquement pour la chaine. Quelques conseils pour la construction et le dimensionnement de la transmission de puissance :

Ne pas prévoir un trop gros rapport en un seul étage, sinon la courroie ne sera pas assez en contact sur la petite poulie. Dans ce cas, il faut écarter au maximum les deux poulies pour avoir plus de contact.

Il faut toujours adapter au mieux la courroie à la petite poulie, puisqu’elle aura moins de zone de contact avec elle.

Toujours aligner les deux poulies. La perte de rendement est très marquante quand les deux poulies ne sont pas alignées. Les efforts sur les roulements des deux lignes d’arbres sont aussi augmentés dans ce cas.

Solution que nous avons déjà réalisée :

Nous avons construit un prototype de transmission. Notre vitesse de rotation nominale de la turbine était de 308 tr/min . L’alternateur que nous avons utilisé était un alternateur de voiture récupéré.

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Les avantages de ce type d’alternateur sont : On les récupère sur des carcasses de voitures Le courant en sortie est directement régulé (14V continu) Ils sont adaptés aux batteries de voiture

Il n’y a pas de vitesse nominale (il faut aller au-delà d’une certaine vitesse pour commencer à produire)

Les inconvénients sont : Le rendement est très faible (entre 40 et 50%) Il faut tourner très vite (à partir de 4000 tr/min)

Pour avoir une production d’électricité correcte malgré le rendement faible de l’alternateur, il nous fallait donc tourner très vite. Nous avons choisi d’utiliser un vélo complet pour faire la transmission :

un premier étage en utilisant la transmission par chaine du vélo : multiplication par 1,5 de la vitesse

un second en utilisant la roue du vélo comme poulie, reliée par une courroie à l’alternateur : multiplication par 14 de la vitesse.

Nous avions donc une multiplication par 21 de la vitesse de rotation, avec un rendement estimé à 80% pour toute la transmission. Nous avons d’abord fixé le plateau avant du vélo, que nous avions démonté, sur l’arbre de la turbine. Nous avons ensuite fixé le vélo à un bâti. Nous avons aligné la cassette (pignons arrière) du vélo avec le plateau sur l’arbre. La chaine du vélo reliait les deux poulies, donc la roue de la turbine entrainait la roue arrière du vélo. Nous avons fixé l’alternateur sur une glissière en bois que nous avons fabriqué pour pouvoir tendre la courroie, puis fixé la glissière au bâti qui soutenait le vélo en alignant la roue arrière du vélo avec la poulie de l’alternateur. Nous avons enfin placé la courroie, de type trapézoïdale, entre la roue et la poulie, en la tendant grâce à la glissière.

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The alternator frame

3. Information Construction duration Material needed Tools needed Conception

4. Construction

Structure and final assembly a) Information

Construction duration : 10h Material required :

Quoi Combien

Cornière 30*30*3 12m

700 4

650 5

800 4

100 3

Boulon M12 20 Table 6: Matériel nécessaire pour l'assemblage de la structure

Tools required

Tools required

Disqueuse

Scie à métaux

Lime à métaux

Poste à souder

Niveau

Clefs plates

Perceuse, forêt 8 et 12 Table 7: Outils nécessaires pour l'assemblage de la structure

Conception

Joue

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Figure 30

Cornière N° Longueur Indication

1 La =

2 Lo =

3 La =

4 Lo =

5 H >

6 H >

7 H >

8 H >

9 H >

10 Lo <

11 Lo <

12 Lo <

13 Lo <

14 La =

15 La =

S1* 150 <

S2* 150 <

S3* 150 < Table 8

Découper toute les cornières en suivant les cotations du tableau. Respecter l’indication de tolérance : - < : après la découpe la longueur ne DOIT PAS être SUPERIEURE à la valeur - > : après la découpe la longueur ne DOIT PAS être INFERIEURE à la valeur - = : la valeur DOIT être EXACTE.

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La (mm) 650

Lo (mm) 1000

H (mm) 500 Table 9

b) Construction

Partie I : Construction du support pour le moyeu Le support du moyeu est la pièce centrale qui va permettre de positionner la roue par rapport à la structure et à l’injecteur

. Figure Percer deux trous sur les cornières S1 et S2 pour pouvoir les fixer au moyeu.

Figure Sur la cornière S3 : réaliser deux perçages centrés pour permettre le passage des vis de réglage.

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Souder ensuite deux boulons sur la partie supérieure de la cornière S3.

Figure Réaliser des trous oblongs sur les cornières 7 et 8 pour fixer le moyeu. Repérer les positions du centre des trous oblongs :

Figure 31

25

H

Figure 32

26

Figure 33

Figure 34

Positionnement Longueur trou oblong

C 303 +b/2 20

D 303 -b/2 20

E 303 -b/2 20

F 303+b/2 20

G 320 20

H 453 20

I 234.5 20

J 416.5 20 Table 10

Note sur les valeurs du tableau : Prévoir au moins 100mm entre le bas de la roue et le niveau de l’eau sous la roue. Réaliser un premier perçage en diamètre 12mm environ 2mm en dessous de la marque. Puis en guidant le foret avec un bout d’acier épais répéter l’opération 2mm au-dessus de la marque. Finir les trous à la lime pour permettre le bon déplacement du boulon. Découper la cornière 7 comme indiqué ci-dessous : Partie II : Assemblage Mettre en position le moyeu sur la structure, maintenir à l’aide de serre-joints. Rajouter une cornière ou fer plat en haut pour garantir le parallélisme.

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Figure 35

Vérifier au niveau le parallélisme de tous les éléments puis serrer les boulons de fixation du moyeu. Positionner la cornière de réglage (1c) sous le moyeu :

Figure 36

Une fois que le parallélisme est assuré souder la cornière de reglage (1c) aux barres 7 et 8.

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Figure 37

Une fois cette pièce réalisée nous pouvons passer à l’assemblage de la structure. Commencer par le rectangle inferieur (assemblage des cornières 1, 2, 3 et 4)

Figure 38

Vérifier la perpendicularité des cornières en utilisant une cornière verticalement puis souder les cornières ensemble. Attention ! Ne pas souder la cornière montante ! Souder ensuite les cornières 5, 6 et 9 au trois coins, positionner et vérifier le parallélisme de ces cornières à l’aide d’un niveau avant chaque soudure ! Ensuite souder le support du moyeu (le moyeu doit être sur le support) à la structure, vérifier le parallélisme des éléments. Remarque : Le parallélisme des éléments doit être le plus juste possible, mais il est possible de rattraper des petites erreurs lors de la fixation de la partie supérieure.

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Figure 39

Le résultat attendu

Figure 40

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Figure 41

Les 4 cornières supérieures doivent se situer à la même distance des cornières inférieures. Les cornières verticales doivent toutes être parallèles entre elles et perpendiculaires à toutes les cornières horizontales. Assemblage de la structure, la roue et l’injecteur : 1èreétape : Positionner l’injecteur entre les cornières 11 et 13, positionner les boulons, les visser SANS serrer.

Figure 42

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Figure 43

Positionner ensuite la roue dans le moyeu à l’aider des 4 points de fixation.

Figure 44

Figure 45

Visser sans serrer les quatre vis de fixation

Figure 46: Réglage

Partie III : Réglages

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Affiner le positionnement à l’aide des vis de réglage : L’objectif est de réduire au maximum le jeu entre l’injecteur et la roue. Pour cela il faut actionner les vis de réglage en faisant tourner la roue pour arriver à un jeu minimal sans frottements entre les deux éléments.

Figure 47: Réglage de la roue en hauteur

Figure 48: Réglage horizontal de l'injecteurRemarque : La perpendicularité entre les flasques de la roue et le support du moyeu doit être réalisée le plus finement possible. Néanmoins il est possible de reprendre ce réglage en agissant sur les boulons de fixation de la roue sur le moyeu (réglage à faire quand la roue est montée). Il est nécessaire de faire ce réglage lorsqu’on observe un écart entre la roue et l’injecteur qui n’est pas le même sur un tour de roue.

] Installation

1) Pipes

2) Turbine

VI] Advantages, disadvantages, optimizations

VII] Bibliography Hugh Piggott, Réseau Tripalium, 2014, Construire une éolienne

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N° Tache Nom tache Outil, équipement, EPI