HM15020F

7/25/2019 HM15020F

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Equipement pour lEnseignement Technique

Instruction pour exprience

HM150.20 Modle de dmon-stration turbine Francis

G.U.N.T. Gertebau GmbHBote postale1125

D-22881 Barsbttel Allemagne

Tlphone (040) 670854-0

Tlfax (040) 670854-42

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Document n : 917.000 20 A150 32 05/96

0,4

0,80,2

0 bar 1Kl.1,6

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Instructions dexprimentation

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HM150.20 Modle de dmonstration turbine Francis

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Sommaire

1 Description de lappareil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Prparation de lessai et ralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Prparation de lessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Rglages et mesures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Caractristique de fonctionnement de la turbine . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Caractristiques de puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Caractristiques techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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1 Description de lappareil

Lappareil est conu pour lenseignement et lex-

primentation. Il permet la dmonstration du prin-

cipe de fonctionnement dune turbine Francis.

Les aubes directrices du corps hlicode sont r-

glables.

La charge de la turbine peut tre simule au moyen

du dispositif de freinage mcanique rglable.

Il est ainsi possible, par rglage des aubes direc-

trices et du dispositif de freinage, de relever lescaractristiques typiques de fonctionnement de la

turbine diffrentes vitesses.

Lalimentation en eau se fait par le Module de

base HM 150 Dynamique des fluides, car la

turbine Francis est dimensionne pour les caractri-

stiques de cette pompe.Le module HM 150 permet de raliser une alimen-

tation en eau en circuit ferm.

Si le raccordement se fait au rseau deau dun

laboratoire, il y a lieu de tenir compte du fait quen

raccordant la turbine, le flux volumique doit attein-

dre 40 l/h environ et la pression deau 0,1 bar, pour

pouvoir effectuer les expriences de dmonstra-

tion dcrites ci-aprs.

Pour ces essais, un tachymtre manuel, non com-

pris dans la fourniture, est galement ncessaire.

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1 Description de lappareil 1

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Les principaux composants de lappareil sont les

suivants :

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0,80,2

0bar 1

Kl.1,6

0,6

7

8

6

4

5

10

3

9

2

1

1 Socle

2 Entre conduite de refoulement

3 Corps hlicode

4 Aubes directrices

5 Rotor

6 Rglage des aubes directrices

7 Dispositif de freinage rglable

8 Peson ressort

9 Manomtre

10 Sortie conduite daspiration

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Une vue en coupe de la bche hlicode montre la

transmission des efforts entre le rotor et la poulie.

1 Entr conduite de refoulement dans le corps hlicode

2 Corps hlicode

3 Aubes directrices

4 Rotor

5 Rglage des aubes directrices

6 Conduite daspiration

12

11

8

10

9

3

4

6

7

1

2 5

7 Bague dtanchit darbre

8 Arbre de turbine

9 Dispositif de rglage axialdu rotor

10 Poulie

11 Courroie

12 Peson ressort

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2 Prparation de lessai et ralisation

2.1 Prparation de lessai

- Placer le montage dessai sur le module HM

150, de telle sorte que la sortie de la conduite

daspiration (1) puisse envoyer leau dans le

canal du module HM 150.

- Placer le tuyau de raccordement entre le mo-

dule HM 150 et le raccordement (2) de laturbine Francis et ouvrir lvacuation du rser-

voir volumtrique du moduleHM 150.

- A laide du volant (3) desserrer totalement le

dispositif de freinage de la turbine, ce qui d-

charge les pesons ressort et dtend la cour-roie (5) sur la poulie.

- Fermer le robinet principal du module HM 150

et mettre la pompe HM 150en route, puis ouvrir

lentement le robinet principal jusqu la pleine

ouverture.

- Tourner le levier (6) de rglage des aubes

directrices pour le dvisser, et par mouve-

ments lents douverture et de fermeture (7) des

aubes directrices, chasser lair de la conduite

daspiration (1).

3

4

5

1

2

6

7

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2 Prparation de lessai et ralisation 4

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2.2 Rglages et mesures

Rglage des aubes directrices

Langle dattaque de leau sur les aubes rotoriques

(1) est dtermin par la position des aubes direc-

trices (2). Cet angle dattaque dtermine la vitesse

de rotation et donc la puissance de la turbine.

Les aubes directrices se rglent en tournant lalevier de rglage (3).

La position des aubes directrices est indique sur

une chelle en haut du disque de rglage (4).

4

3

1 2

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Les axes (1) des aubes directrices (2) pivotent et

traversent lenveloppe de turbine (3) de faon

tanche. Des biellettes de commande (4) sont

montes extrieurement sur les axes. Des goujons

(5) solidaires du disque de rglage (6) guident les

biellettes de commande dans un trou oblong (7).

Les aubes directrices peuvent ainsi tre rgles

de lextrieur, en fonctionnement, par le levier de

rglage (8). Le levier de rglage dtachable serre

le disque de rglage sur le palier darbre (9).

8 4 2 5,7 6

8

7

3

1

2

9

6

5

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Rglage du jeu entre le disque de recouvre-

ment et le rotor

Le jeu du disque de recouvrement (1) peut tre

ajust laide du manchon de rglage (2). Pour

effectuer ce rglage, la poulie (4), qui bloque le

manchon de rglage, doit tre desserre. Tourner

ensuite le manchon de rglage avec une cl

fourche de 10.

Pour rduire le plus possible les pertes inhrentes

au jeu, le jeu entre le disque de recouvrement et

le rotor doit galement tre maintenu aussi faible

que possible. En rglant ce jeu, sassurer toutefois

que le rotor ne frotte pas sur le disque de recouv-

rement.

La poulie, le manchon de rglage et larbre de la

turbine ont un filetage gauche.

2 3

1

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Dtermination du flux volumique

- La dtermination du flux volumique V. se

fait en mesurant le temps t ncessaire pour

remplir le rservoir volumtrique du modu-

le HM 150par exemple de 20 30 litres.

Mesure de la vitesse de rotation

- La mesure de la vitesse de rotation n nces-

site un tachymtre manuel affichant la vites-

se au moyen dun repre rflchissant (1).

Le repre rflchissant est coll sur la poulie

(2). La cellule photolectrique rflexion du

tachymtre manuel est alors dirige perpen-

diculairement au repre.

Dtermination de la hauteur de chute

- La hauteur de chute H de la colonne deau H

correspond la pression de pompage en

amont de la turbine. La hauteur de chute est

indique en bar sur le manomtre (1).

H=p

gavec =1000

kg

m3

et g=9.81m

s2

1 2

0,4

0,80,2

0bar 1

Kl.1,6

0,6

1

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Dtermination du couple

La dtermination du couple se fait en appliquant

une charge avec le dispositif de freinage.

Le couple peut ainsi tre dtermin avec un peson

ressort (1) en fonction du diamtre de la poulie

(2).

M=FD2

avec D = 50 mm

La force F est dtermine en faisant la diffrence

entre les forces F1et F2.

F=F1F2

- A laide du volant (3) faire pivoter la traverse (4)

vers le haut jusqu ce que les deux pesons

ressort indiquent une valeur. Lire les forces F1

et F2et calculer leur diffrence. Noter la valeur

Fen N.

Attention !

La poulie et la courroie doivent imprativement

tre sches et sans corps gras !

3

4

1

2

F2 F1

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3 Essais

Pour pouvoir dterminer la puissance et le rende-

ment de la turbine Francis, certaines formules de

base doivent encore tre introduites, afin de cal-

culer les caractristiques de fonctionnement.

Moment Msur larbre :

Moment = Force x bras de levier

M=FD2 [Nm] avec D = 0,05 m

PuissancePabsur larbre de la turbine:

Puissance = Moment x Vitesse angulaire

Pab=M2n60

[W] avec n en min1

Puissance hydrauliquePhyd:

La puissance hydraulique est fonction du flux vo-

lumique et de la hauteur de chute.

Phyd=f(V.

,H).

Ce qui donne pour la puissance hydraulique :

Phyd

=V.H

g.

Dans la formule suivante, la hauteur de chute lue

peut tre directement convertie en bar:

Phyd=V.p105

1000 60 [W] avec V

.en l/min

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3 Essais 10

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Rendement :

Rendement = Puissance sur larbre / puissance

hydraulique

=PabPhyd

Si lon tient compte dun moment de frottement

interne denviron 0,0125 Nm, d essentiellement

la bague dtanchit darbre, le rendement peut

tre encore augment.

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3 Essais 11

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3.1 Caractristique de fonctionnement de la turbine

Le relev des caractristiques de fonctionnement

de la turbine se fait avec les aubes directrices dans

la position permettant les vitesses de rotation les

plus leves. Pour cela, mesurer la vitesse avec

la tachymtre manuel et faire le rglage en agis-

sant sur le levier de rglage.

Augmenter la charge applique par le dispositif de

freinage par incrments de 15 20 points de

mesure, jusqu ce que la turbine soit ralentie environ 100 min1.

Le flux volumique V. est pratiquement constant

pour toute la srie de mesure. Pour les calculs on

utilise V.=38

lmin

.

Exemple de rsultat de mesure :

Vitesse derotation

nen

min1

Effort defreinage

FenN

Hauteurde chute

Henbar

Momentsur larbre

MenNm

Puissancesur larbre

PabenW

Puissancehydraulique

PhydenW

Rendement

rendementsans le

manchondtanchit

darbre

1700 0 0.13 0.000 0.00 8.23 0,00 0.001600 0.1 0.12 0.003 0.42 7.60 0.05 0.331500 0.25 0.11 0.006 0.98 6.97 0.14 0.42

1400 0.3 0.1 0.008 1.10 6.33 0.17 0.461300 0.55 0.09 0.014 1.87 5.70 0.33 0.631200 0.8 0.09 0.02 2.51 5.70 0.44 0.721100 0.9 0.08 0.023 2.59 5.07 0.51 0.801000 1 0.08 0.025 2.62 5.07 0.52 0.79900 1.15 0.08 0.029 2.71 5.07 0.54 0.77800 1.3 0.08 0.033 2.72 5.07 0.54 0.74700 1.4 0.09 0.035 2.57 5.70 0.45 0.61600 1.45 0.1 0.036 2.28 6.33 0.36 0.48500 1.55 0.1 0.039 2.03 6.33 0.32 0.42400 1.65 0.11 0.041 1.73 6.97 0.25 0.32300 1.7 0.11 0.043 1.34 6.97 0.19 0.25200 1.75 0.12 0.044 0.92 7.60 0.12 0.16100 1.75 0.13 0.044 0.46 8.23 0.06 0.07

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3 Essais 12

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0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

75

50

25

0

0 500 1000 1500 2000 Vitesse de rotation n en min-1

Rendement

Couple sur lar-bre de la turbine

MenNm

Pab

enW

sans baguedtanchit

Puissance surlarbre de la tur-

,

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3 Essais 13

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3.2 Caractristiques de puissance

Pour relever les courbes de puissance, le dispositif

de freinage est toujours rgl de telle sorte que,

pour diffrentes positions des aubes directrices, la

vitesse de rotation mesure soit toujours identi-

que. Lire leffort de freinage correspondant et le

noter.

Le flux volumique V. est pratiquement constant

pour toute la srie de mesure. Pour les calculs on

utilise V.=38

lmin

.

Exemple de rsultat de mesure :

Positiondes

aubesdirectrices

n = 750 min-1 n = 850 min-1 n = 1000 min-1

Effortde

freinage

F

enN

Momentsur

larbreMen

Nm

Puissancesur

larbrePaben

W

Effortde

freinageF

enN

Momentsur

larbreMen

Nm

Puissancesur

larbrePaben

W

Effortde

freinage

F

enN

Momentsur larbre

Men

Nm

Puissancesur larbre

Paben

W

1 0.40 0.010 0.79 0.22 0.0055 0.49 0.10 0.003 0.20

2 0.65 0.016 1.28 0.44 0.011 0.98 0.35 0.009 0.69

3 0.85 0.021 1.67 0.56 0.014 1.28 0.50 0.013 0.98

4 0.90 0.023 1.77 0.76 0.019 1.67 0.65 0.016 1.28

5 1.05 0.026 2.06 0.80 0.020 1.77 0.75 0.019 1.47

6 1.10 0.028 2.16 0.88 0.022 1.96 0.85 0.021 1.67

7 1.20 0.030 2.36 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.77

8 1.25 0.031 2.45 0.96 0.024 2.16 0.95 0.024 1.87

9 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 1.00 0.025 1.9610 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 1.00 0.025 1.96

11 1.35 0.034 2.65 1.08 0.027 2.36 1.00 0.025 1.96

12 1.40 0.035 2.75 1.12 0.028 2.45 1.00 0.025 1.96

13 1.35 0.034 2.65 1.08 0.027 2.36 0.95 0.024 1.87

14 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 0.95 0.024 1.87

15 1.25 0.031 2.45 0.96 0.024 2.16 0.90 0.023 1.77

16 1.20 0.030 2.36 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.77

17 1.15 0.029 2.26 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.77

18 1.10 0.028 2.16 0.88 0.022 1.96 0.85 0.021 1.67

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3 Essais 14

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18/19

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0 5 10 15 20

Position des aubes directrices

Puissancesur

larbre

de

laturb

ine

Pab

en

W

750 min-1

850 min-1

1000 min-1

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3 Essais 15

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4 Caractristiques techniques

Donnes de dimensionnement :Flux volumique V

.= 50l/min

Hauteur de chute H = 2 mVitesse de rotation n = 2000 min-1

Puissance V.40 l/min

H 0,8 m = 0,08 bar 2,8 W / 1000 min-1

Nombre daubes directrices : 6

Rotor : Diamtre extrieur : 50 mmDiamtre intrieur : 30 mmLargeur des aubes : 5 mmAubes rotoriques : 7

Angle dincidence : 1= 58.1

Angle de sortie : 2= 90

Effort de freinage : max. 10 N

Poulie : Diamtre : 50 mm

Raccordement de tuyau : Manchon pour tuyau de pressioD = 20 mm

Dimensions :

Longueur : 400 mmLargeur : 400 mm

Hauteur : 650 mmPoids : 12 kg

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4 Caractristiques techniques 16

Documents

HM15020F