Turbine Vlh

Office fdral des questions conjoncturellesNERGIES RENOUVELABLES

Turbineshydrauliques

1995 724.247.1 f

Petites centrales hydrauliquesTurbines hydrauliques

De llectricit grce aux petites centrales hydrauliques une nergie propre qui prserve lenvironnement !

Il existe en Suisse un potentiel important dans le domaine despetites centrales hydrauliques qui pourrait savrer financirementintressant pour de nombreuses communes, collectivits etindustries.

Ce mode de production a malheureusement t nglig cesdernires dcennies, la priorit ayant t donne aux grandescentrales au fil de leau ou accumulation dans les Alpes.

Par le Programme daction nergies renouvelables (PACER) delOffice fdral des questions conjoncturelles, la Confdration adcid dintervenir pour inciter les propritaires de droits deau,communes, administrations cantonales, ingnieurs, industriels etentrepreneurs sintresser cette forme de production dnergieet raliser des installations. Lobjectif est la promotion destechnologies prouves des petites centrales hydrauliques (PCH)par une information objective et complte sur le sujet ainsi que laformation dingnieurs et de techniciens.

La brochure Turbines hydrauliques fait partie dun ensemble dequatre publications techniques concernant la conception et la ra-lisation de petites centrales hydrauliques :

Turbines hydrauliques

Gnrateurs et installations lectriques

Rgulation et scurit dexploitation

Le choix, le dimensionnement et les essais de rception duneminiturbine

Conue comme document et en mme temps comme outil pra-tique, elle est destine aider les ingnieurs et techniciens nonspcialiss qui sont concerns, dans le cadre de leur activit pro-fessionnelle, par la conception et la ralisation dune petite centralehydraulique.

Elle prsente les turbines hydrauliques du point de vue du techni-cien charg de leur slection, de leur acquisition et de leur intgra-tion dans un site donn, sans entrer dans des considrations tho-riques complexes. Elle contient les renseignements suivants : paramtres et caractristiques dune petite centrale hydraulique

utiles pour le choix de la machine et son implantation ; paramtres communs tous les types de turbines hydrauliques ; types de turbines, paramtres et caractristiques : turbines

action (Pelton, Crossflow), turbines raction (Francis, Kaplan,pompes inverses) ;

points considrer lors dun appel doffres et la rdaction duncahier des charges (fonctionnement nominal, demballement,implantation, cavitation, matriaux, dtails constructifs, etc.).

ISBN 3-905232-54-5

1995, 134 pagesN de commande 724.247.1f

Petites centrales hydrauliques


Journes de formation pour ingnieurs


Programme d'action PACER Energies renouvelablesOffice fdral des questions conjoncturelles

Associations de soutien

Les organisations suivantes recommandent etsoutiennent la participation aux journes PACERPetites centrales hydrauliques.

ACS Association des communessuisses

ADER Association pour ledveloppement des nergiesrenouvelables

ADUR Association des usiniers suissesARPEA Association romande pour la

protection des eaux et de lairASE/ETG Socit pour les techniques de

lnergie de lASEASPEE Association suisse des

professionnels de lpurationdes eaux

INFOENERGIE Centre de conseilsOFEL Office dlectricit de la Suisse

romandePROMES Association des professionnels

romands de lnergie solaireSIA Socit suisse des ingnieurs et

des architectesSMSR Socit des meuniers de la

Suisse romandeSSIGE Socit suisse de lindustrie du

gaz et des eauxUCS Union des centrales suisses

dlectricitUTS Union technique suisseUVS Union des villes suisses


Conception, rdaction et ralisationde ldition franaise

J.-M. Chapallaz, ingnieur EPFL/SIA1450 Ste-Croix

Avec des contributions, pour la partie documentation, de: H.-P. Mombelli, EPFL-DGM-IMHEF,

1015 Lausanne A. Renaud, EPFL-DGM-IMHEF, 1015 Lausanne

Relecture technique du manuscrit R. Chenal, ing. conseil, 1815 Clarens F. Heer, ing. EPFL, 1450 Ste-Croix D. Richardet, ing. civil EPFL-SIA, 1400 Yverdon G. Vuilloud, ing. EPFL, Hydro Vevey, 1800 Vevey

Correcteur J.-C. Scheder, 1038 Bercher

Graphisme de la couverture Isabelle Schaaf Graphic Design, 1020 Renens

Mise en pages, photocomposition et flashage DAC, 1006 Lausanne et CITY COMP SA, 1110 Morges

Direction du projet et coordination J. Graf, ingnieur ETS, Fontanezier

Copyright Office fdral des questions conjoncturelles,3003 Berne, aot 1995.Reproduction d'extraits autorise avec indication de lasource.Diffusion: Coordination romande du programme d'actionConstruction et nergie EPFL-LESO, Case postale 123,1015 Lausanne (N de commande 724.247.1f).

ISBN 3-905232-54-5

Form 724.247.1f 08.1995 1000

Dune dure totale de 6 ans (1990-1995), le Programme dactionConstruction et Energie se compose des trois programmes dimpul-sions suivants:PI BAT Entretien et rnovation des constructionsRAVEL Utilisation rationnelle de llectricitPACER Energies renouvelables

Ces trois programmes dimpulsions sont raliss en troite collabo-ration avec lconomie prive, les coles et la Confdration. Ils doi-vent favoriser une croissance conomique qualitative et, par l,conduire une plus faible utilisation des matires premires et delnergie, avec pour corollaire un plus large recours au savoir-faire et la matire grise.

Jusquici, si lon fait abstraction du potentiel hydrolectrique, lacontribution des nergies renouvelables notre bilan nergtique estngligeable. Aussi le programme PACER a-t-il t mis sur pied afinde remdier cette situation. Dans ce but le programme cherche: favoriser les applications dont le rapport prix /performance est le

plus intressant ; apporter les connaissances ncessaires aux ingnieurs, aux

architectes et aux installateurs ; proposer une approche conomique nouvelle qui prenne en

compte les cots externes; informer les autorits, ainsi que les matres de louvrage.

Cours, manifestations, publications, vidos, etc.

Le programme PACER se consacre, en priorit, la formation conti-nue et linformation. Le transfert de connaissances est bas sur lesbesoins de la pratique. Il sappuie essentiellement sur des publica-tions, des cours et dautres manifestations. Les ingnieurs, archi-tectes, installateurs, ainsi que les reprsentants de certainesbranches spcialises, en constituent le public cible. La diffusion pluslarge dinformations plus gnrales est galement un lment impor-tant du programme. Elle vise les matres de louvrage, les architectes,les ingnieurs et les autorits.

Le bulletin Construction et Energie, qui parat trois fois par an,fournit tous les dtails sur ces activits. Ce bulletin peut tre obtenugratuitement sur simple demande. Chaque participant un cours ouautre manifestation du programme reoit une publication spciale-ment labore cet effet. Toutes ces publications peuvent galementtre obtenues en sadressant directement la Coordination romandedu programme daction Construction et Energie EPFL-LESO, Casepostale 12, 1015 Lausanne.

Comptences

Afin de matriser cet ambitieux programme de formation, il a t faitappel des spcialistes des divers domaines concerns; ceux-ciappartiennent au secteur priv, aux coles ou aux associations pro-


Avant-propos

fessionnelles. Ces spcialistes sont pauls par une commission quicomprend des reprsentants des associations, des coles et desbranches professionnelles concernes.

Ce sont galement les associations professionnelles qui prennent encharge lorganisation des cours et des autres activits. Pour la prpa-ration de ces activits une direction de programme a t mise enplace; elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay, du Dr Charles Filleux,de M. Jean Graf, du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme IreneWuillemin et de M. Eric Mosimann de lOFQC. La prparation des dif-frentes activits se fait au travers de groupes de travail, ceux-ci sontresponsables du contenu de mme que du maintien des dlais et desbudgets.

Documentation

La brochure Turbines hydrauliques fait partie dun ensemble dequatre publications techniques concernant les petites centraleshydrauliques: Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune

miniturbine

Conue comme document et en mme temps comme outil pratique,elle est destine aider les ingnieurs et techniciens non spcialissqui sont concerns, dans le cadre de leur activit professionnelle, parla planification et la ralisation dune petite centrale hydraulique.

Elle prsente les turbines hydrauliques du point de vue du techniciencharg de leur slection, de leur acquisition et de leur intgrationdans un site donn, sans entrer dans des considrations thoriquescomplexes. Elle contient les renseignements suivants : paramtres et caractristiques dune petite centrale hydraulique

utiles pour le choix de la machine et son implantation; paramtres communs tous les types de turbines hydrauliques ; types de turbines, paramtres et caractristiques : turbines action

(Pelton, Cross-flow), turbines raction (Francis, Kaplan, pompesinverses) ;

points considrer lors dun appel doffre et la rdaction duncahier des charges (fonctionnement nominal, demballement,implantation, cavitation, matriaux, dtails constructifs, etc.).

Le prsent document a fait lobjet dune procdure de consultation, ila galement t soumis lapprciation des participants au premiercours pilote, ce qui a permis aux auteurs deffectuer les modificationsqui leur sont apparues souhaitables et dont ils assument l'entire res-ponsabilit. Des amliorations sont encore possibles et des sugges-tions ventuelles peuvent tre adresses soit au directeur du cours,soit directement auprs de lOffice fdral des questions conjonctu-relles.

Pour terminer nous tenons remercier toutes les personnes qui ontcontribu la ralisation de la prsente publication.

Office fdral des questions conjoncturellesService de la technologieDr B. Hotz-HartVice-directeur


Introduction 7

1. Paramtres communs tous les types de turbines 9

2. Turbines action 43

3. Turbines raction 57

4. Slection d'une turbine et appel d'offres 87

5. Etude de cas 111

Bibliographie 129

Liste des publications et vidos du programme d'action PACER 131


Table des matires

Introduction

7

Introduction

Depuis la roue aubes entranant un moulin, les machines hydrau-liques ont subi une volution technique considrable.

Il existe actuellement plusieurs types de turbines, et pour chaquetype, une large plage de caractristiques.

Il est donc important pour lingnieur soccupant de lacquisitiondune turbine, de possder un certain nombre de connaissancesau sujet de ces machines, de leur implantation et de leur fonction-nement.

Machine alimente en eau sous pression, qui met en mouvement une roue aubes et produit de la force, ou puissance mcanique, par lintermdiairedun arbre en rotation

VR : vanne de rglage du dbit deau(nomme distributeur ou injecteur selon le type de turbine).Celle-ci permet de rgler la puissance en fonction des besoins duconsommateur et de l'eau disposition

RA : roue aubes ou augetsAR : arbre en rotationPhyd : puissance hydraulique fournie la turbine par un dbit deau sous

pressionPmec : puissance mcanique dlivre par la turbine

TURBINE

VR

AR

RAPmec

Eau sous pression

Phyd

But du cours

Le prsent cours est destin des ingnieurs ou techniciens nonspcialiss dans le domaine des petites centrales hydrauliques. Illeur permettra dacqurir des connaissances de base sur le fonction-nement et lexploitation des turbines hydrauliques et de mener lespourparlers avec les fournisseurs de machines dans le cadre dunappel doffres.

Pralable

Il est admis que les personnes suivant ce cours ont pris connais-sance de la brochure dinformation Petites centrales hydrau-liques dite dans le cadre du programme PACER.

Contenu du cours

Le prsent cours fait partie dun ensemble traitant des quatrethmes suivants : Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune

miniturbine .

Le chapitre 1 de la brochure prsente les composants et paramtresprincipaux dune petite centrale hydraulique, les conditionsdexploitation dune turbine ainsi que les lois de similitude qui per-mettent de dimensionner la machine partir dessais sur modles.Ceci en vue dune meilleure comprhension des caractristiquestablies par les constructeurs.

Les chapitres 2 et 3 dcrivent les principes de fonctionnement etles dtails constructifs des turbines action et raction sans entrerdans des considrations thoriques compliques. Des formulessimples permettent destimer la grandeur des machines par rapportaux donnes dun site, et les facteurs influenant leur implantation.

Le chapitre 4 constitue loutil pratique utile pour la slection et lardaction dun cahier des charges en vue de lachat dune turbine.Il contient diverses abaques, diagrammes et figures pouvant sug-grer des solutions lingnieur et lui permettre le choix optimalde la turbine.

Enfin le chapitre 5 prsente l'tude de quatre cas de microcentraleset la slection de la turbine la mieux adapte au site donn.

Introduction

8

1. Paramtres communs tous les types de turbines

9


1.1 Composants, profil en long et ligne dnergiedune petite centrale hydraulique 10

1.2 Puissance hydraulique dune turbine 14

1.3 Couple, vitesse de rotation, puissance mcaniqueet rendement dune turbine 16

1.4 Conditions dexploitation dune turbinedans une petite centrale hydraulique 18

1.5 Courbes caractristiques dune turbine 241.5.1 Essais sur modles rduits 241.5.2 Courbes caractristiques vitesse constante 261.5.3 Courbes caractristiques vitesse variable 30

1.6 Lois de similitude 331.6.1 Changement des caractristiques de fonctionnement dune turbine donne 331.6.2 Changement des caractristiques et de la taille dune turbine 341.6.3 Paramtres unitaires et adimensionnels 35

1.7 Classification des turbines Vitesse spcifique 37

1.8 Rsum des types principaux de turbineset de leur domaine dapplication 39

1.1 Composants, profil en long et lignednergie dune petite centralehydraulique

Les composants dune petite centrale hydraulique ont t prsen-ts dans la brochure dinformation Petites centrales hydrau-liques (1).

Le schma de la figure 1.1.1 prsente le profil en long dune petitecentrale avec ses diffrents composants et les lignes dnergie etde pression.

Pour plus de clart, les paramtres sont redfinis sur une figure sim-plifie, la figure 1.1.2

Dfinitions

Dbit Symbole : Q Unit : (m3/ s)

Le dbit est le volume deau par unit de temps qui transite parlamnagement pour alimenter la turbine.

Chute brute Symbole : Hb Unit : (m)

La chute brute est la diffrence daltitude entre le niveau la prisedeau (point de rfrence 3) et le niveau laval de la centrale (pointde rfrence 4). Elle est souvent appele hauteur godsique Zg.

Chute nette Symbole : H Unit : (m)

La chute nette reprsente lnergie hydraulique disposition de laturbine. Elle est gale la chute brute moins les pertes de chargeHL entre la prise deau et le point de rfrence amont de la turbine 1dune part, et le point de rfrence aval de la turbine 2 et le niveauaval de la sortie de la centrale dautre part.

Les pertes de charge correspondent lnergie ncessaire pour fairepasser leau travers grilles et vannes et vaincre le frottement contreles parois du canal damene et de la conduite force.

Les pertes de charge varient selon la loi : HL = A Q2 ce qui permetde calculer la chute nette pour diffrents dbits turbins :

Le coefficient A peut tre calcul partir des pertes de chargeconnues pour un point de fonctionnement, nominal par exemple :

A = HL/Q2

H = Hb - A Q2


10


11

Figure 1.1.1 : Composants et profil en long dune petite centrale hydraulique

Pr : prise deauDs : dessableurCa : canal / conduite dameneDg : dgrilleurCc : chambre de mise en chargeCf : conduite forceVt : vanne turbineTu : turbineGe : gnrateur

1 : point de rfrence amont de la turbine2 : point de rfrence aval de la turbine3 : point de rfrence amont de lamnagement4 : point de rfrence aval de lamnagementE : ligne dnergieEc : nergie cintiqueEp : nergie de pressionp : pressionHb : chute bruteH : chute nette

Pr

HL3

Ds Ca

2

H Hb

(Zg)

4

1

Dg CcCf E

p

Vt Tu Ge

Ec

Ep

Energie hydraulique massique Symbole : E Unit : (J / kg)

Selon la loi de Bernoulli, lnergie hydraulique est la somme de :

Lnergie de pression p / r (J / kg)avec : pression Symbole : p Unit : (N /m2, 1bar = 105N /m2)

1 bar = 10.2 m de colonne deaulue sur un manomtre et reprsente par la hauteur manomtriquep / r g en (m) de colonne deau.

Lnergie godsique gz (J / kg)avec : hauteur godsique Symbole : z Unit : (m)hauteur entre laxe du manomtre et le plan de rfrence X de lamesure de lnergie (note: Z peut tre ngatif).

Lnergie cintique de leau Symbole : Ec = v2/2 Unit : (J / kg)avec v = Q/S (m/s), vitesse de leau, S tant la section de passagedu canal ou de la conduite au point considr (m2).

Par exemple en un point X de la conduite force, nous avonslnergie hydraulique suivante (voir figure 1.1.2)

calcule en joule / kg (J / kg)

avecg = 9.81 (m/s2) = acclration de la pesanteur

etr = masse volumique de leau = 1000 kg /m3

Lnergie hydraulique massique E = gH absorbe par la tur-bine est la diffrence entre lnergie massique E1 = gH1 lentrede la turbine et lnergie massique E2 = gH2 la sortie.

avec

E2 = gH2 =p2 + gz2 +

v22

2(J / kg)

E1 = gH1 =p1 + gz1 +

v12

2(J / kg)

gH = gH1 gH2 ou E = E1 E2 (J / kg)

La relation entre lnergie hydraulique massique et la hau-teur deau, souvent dfinie par le terme de charge dans ledomaine du gnie civil est la suivante :Hx = Ex/g ou Ex = gHx

Ex = gHx = px/ r + vx2 / 2 + gzx


12


13

Figure 1.1.2 : Ligne dnergie (ou ligne de charge) dune petite centrale hydraulique

Pr : prise deauCf : conduite forceTu : turbine

1 : point de rfrence amont turbine2 : point de rfrence aval turbineHb : chute brute (m)H : chute nette (m)HL = A Q2 : pertes de charge (m)Q : dbit (m3 / s)

Energie Ex (ou charge Hx) au point X :

g = 9.81 (m/s2)r = 1000 (kg /m3)px : pression en (N /m2) 105 N /m2 = 1 barvx : vitesse dcoulement (m/s)

Note: px est gnralement la pression relative (sur- ou souspression) mesure par rapport la pression atmosph-rique pa.

Ex = gHx =px +

vx2

2+ gzx (J/kg)

3

Pr

Cf

pa

pa

gH

4

Tu

gHb

(gZg)

gzx

gHL

px / r

px

2

Q,vx1

v2x /2

X

1.2 Puissance hydrauliquedune turbine

Puissance hydraulique Symbole : Phyd Unit : (W)

La puissance hydraulique est la puissance fournie la turbine parleau qui lalimente.

Elle est donne par le produit de lnergie hydraulique gH avec ledbit massique (dbit volumique par masse spcifique) r Q

Phyd = r Q gH (W)

Les normes suisse ASE 3055.1974 et internationale CEI 41 concer-nant les essais de rception des turbines hydrauliques dfinissentles points de rfrence lamont (1) et laval (2) de la turbine entrelesquels est mesure la chute (ou lnergie) nette.

Cest en ces points que sont placs les instruments servant mesu-rer la pression ou le niveau (manomtres ou limnimtres).

La figure 1.2 montre le principe de mesure et de calcul de la chutenette et autres paramtres ncessaires la dtermination de la puis-sance hydraulique de la turbine.


14

Figure 1.2 : Paramtres pour le calcul de la puissance hydraulique dune turbine

Vt : vanne turbineTu : turbineGe : gnrateur

1 : point de rfrence amont turbine2 : point de rfrence aval turbineE : ligne dnergie (de charge)Ep: ligne de pression

Energie entre turbine :

Energie sortie turbine :

Energie (chute) nette :

Puissance hydraulique :

Phyd = r Q gH (W)

E = E1 E2 = gH1 gH2 (J / kg)

E2 = gH2 =p2 + gz2 +

v22

2(J / kg)

E1 = gH1 =p1 + gz1 +

v12

2(J / kg)


15

E

Ep

p1

z2

1.3 Couple, vitesse de rotation,puissance mcaniqueet rendement dune turbine

(voir figure 1.3)

Couple Symbole : T Unit : (Nm)

Leau sous pression qui entre dans la turbine exerce une force hydro-dynamique sur les pales ou augets de la roue. Cette force cre uncouple qui met la roue en rotation.

Vitesse de rotation Symbole : n Unit : (t /min)w (rad / s)

avec w = P . n /30

Une fois mise en mouvement, la turbine va tourner une vitessede rotation dtermine par les conditions dexploitation.

Puissance mcaniqueou larbre de la turbine Symbole : Pmec Unit : (W)

De par les lois de la physique, la puissance mcanique est donnepar le produit du couple par la vitesse de rotation :

Pmec = w T

Rendement Symbole : h Unit : (ou%)

Toute transformation dnergie dans une machine donne lieu despertes. Il sensuit que la puissance obtenue larbre de la turbine,et qui sert entraner la gnratrice, est infrieure la puissancehydraulique.

Le rapport entre ces deux puissances est le rendement quiest un paramtre dfinissant la qualit de la turbine

ou

Pmec = h t Phyd

h t = Pmec /Phyd


16

Figure 1.3 : Forces, couple, vitesse de rotation et puissance mcanique dune turbine

Tu : turbineGe : gnrateurAtg: accouplement turbine-gnrateur

Phyd: puissance hydraulique (W)Fh: force hydrodynamique agissant sur une pale de la roue de la turbineT : couple cr par les forces hydrodynamiques Fh (Nm)w : vitesse de rotation (rad / s) (ou n en t /min)

h t = Pmec/ Phyd: rendement de la turbine

Pmec = w T : puissance mcanique larbre de la turbine (W)


17

Tu

Ge

T, w , Pmec

Phyd

Q, H

AtgFh

Fh

1.4 Conditions dexploitation duneturbine dans une petite centralehydraulique

Fonctionnement normal (figure 1.4.1)

Une turbine travaille habituellement vitesse de rotation constante,que ce soit pour entraner directement une machine (scie, moulin,pompe, etc.) ou pour produire de llectricit.

Dans le cas de la production lectrique de courant alternatif enrgime lot, la frquence, directement proportionnelle la vitessede rotation du groupe turbognrateur, est maintenue une valeurconstante par un rgulateur pour assurer un fonctionnement cor-rect des appareils consommateurs.

En marche parallle, cest la frquence du rseau qui dtermine lavitesse de rotation de la gnratrice.


18


19

Tu

z 1m

axH

(m

)

HL1

HL2

VH

Hm

inH

max

(m3 /

s)

z 1m

in

Hb

min

f =

50H

z

Hb

max

z av

Pr

n

Ge

Q

Figu

re 1

.4.1

: Pla

ge d

e fo

nctio

nnem

ent d

une

turb

ine

Pr:

bar

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turb

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Ge

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(1/s

=H

z)V

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do

mai

ne

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vari

atio

n d

e la

ch

ute

net

ten

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on

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min

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3/s

)z m

ax:

niv

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max

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ute

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ax. (

m)

z min

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Hm

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chu

te n

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)z a

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niv

eau

ava

lH

L1:

per

te d

e ch

arg

e

lam

on

t d

e la

tu

rbin

eH

L2:

per

te d

e ch

arg

e

lava

l

Figure 1.4.2 : Variation de la vitesse de rotation et du dbit dune turbine durant la mise en service et le couplage aurseau

t : tempsn : vitesse de rotationnn: vitesse nominalene: vitesse demballementQ : dbitQv: dbit vide (turbine sans charge vitesse nominale)Qn: dbit nominalSy : couplage au rseau lectrique (synchronisation)Dpr : dmarrage progressif rgul (rampe)Fon : fonctionnement normal

Rgimes transitoires normaux

Les rgimes transitoires peuvent tre scinds en deux catgories :dmarrage (figure 1.4.2) et arrt normal (figure 1.4.3).

Dans les deux cas, cette opration seffectue par louverture ou lafermeture dune vanne ou de lorgane de rglage du dbit de la tur-bine (pointeau ou distributeur).

La vitesse de manuvre de lorgane de rglage sera choisie en fonc-tion des composants et des caractristiques de linstallation en vuedviter des coups de blier dans la conduite et des intumescencesinadmissibles dans le canal damene.

Durant ces oprations, la turbine est sous contrle.


20

Q n ne

nn

Sy

Qn

n

QQv

t

FonDpr


21

Figure 1.4.3 : Arrt normal dune turbineEvolution de la vitesse de rotation et du dbit avec le temps

t : tempsn : vitesse de rotationnn: vitesse nominalene: vitesse demballementQ : dbitQn: dbit nominalFon: fonctionnement normalOa : ordre darrtCpe: coupure progressive de leau la turbineCr: coupure du rseau lectriqueAt : arrt de la turbine

Q n ne

OaCr

nn

Qn

Fon Cpe At

Q n

t

Mise en dcharge brusque du groupe turbognrateur(figure 1.4.4)

En cas de panne du rseau lectrique ou de problme brutal surles machines (court-circuit dans un bobinage de la gnratrice parexemple), le groupe doit tre imprativement et immdiatementmis hors service. Lalimentation lectrique et la rgulation sont inter-rompues mais larrive deau ne peut tre coupe rapidement(coup de blier). Le groupe va donc fonctionner un moment sanstre frein par la gnratrice sous la pleine puissance hydraulique.

Sa vitesse va augmenter jusqu une valeur maximum dite survi-tesse. Paralllement, le dbit travers la turbine va se modifier avecla vitesse, augmenter ou diminuer suivant le type de machine, etcette variation peut avoir des consquences sur les installations.

Suivant les caractristiques de lamnagement et les dispositifs descurit prvus, la survitesse peut atteindre la vitesse dembal-lement ne. La vitesse demballement est la vitesse maximalequune turbine peut atteindre sous une chute donne lorsquellefonctionne vide. Elle se situe entre 1.5 et 3.5 fois la vitesse nomi-nale selon le type de turbine (voir 2.1 et 3.3).

En cas de mise en dcharge brusque du groupe, deux situationspeuvent se produire :

1) La dure et la valeur de la survitesse sont limites par les

dispositifs de scurit de la turbine :

vanne de scurit fermant automatiquement lamene deau

la turbine ;

alimentation indpendante fermant le distributeur ou le

pointeau de la turbine (moteur lectrique avec batterie, contre-

poids).

2) En cas de dfaillance des dispositifs de scurit, le groupe nest

plus sous contrle et tourne la survitesse maximale (embal-

lement) jusqu lintervention du personnel dexploitation.

Son comportement sera dpendant de sa robustesse et des

dispositifs de scurit passive prvus :

volant dinertie destin limiter lacclration et ralentir la

variation du dbit (prvention du coup de blier);

paliers et joints construits pour fonctionner la vitesse

demballement.


22

Figure 1.4.4 : Arrt durgence dune turbineEvolution de la vitesse de rotation et du dbit avec le temps

t : tempsn : vitesse de rotationnn: vitesse nominalenmax: survitesse maximumQ : dbitQn: dbit nominalQe: dbit demballementFon : fonctionnement normalCr : coupure ou panne de rseauEt : emballement du groupe, turbine ouverture constanteCe : dbut coupure de leauAt : arrt du groupe par fermeture progressive dune vanne ou du distributeur de la turbine


23

Q n

nCr

Ce

nmax

Qe

t

Et At

nn

Qn

Fon

1.5 Courbes caractristiquesdune turbine

1.5.1 Essais sur modles rduits

Pour pouvoir prdire le comportement dune turbine pour les dif-frentes conditions dexploitation dcrites sous le 1.4, les construc-teurs tablissent, laide dessais sur modles, les courbes carac-tristiques valables pour une turbine de formes donnes.

Les courbes caractristiques dun modle de turbine sont mesu-res sur un banc dessais, chez le constructeur ou dans un labora-toire spcialis (cole dingnieurs ou universit).

Lorsque le constructeur ralise une machine en vraie grandeur, quisera de forme identique au modle, les courbes de fonctionnement,ou courbes caractristiques, de ce dernier sont converties pour laturbine fabrique laide des lois de similitude dcrites plus loin.

Un banc dessai, utilis pour des essais de modles de turbines,est reprsent schmatiquement la figure 1.5.1.


24

Figure 1.5.1 : Schma de principe dun banc dessai pour modles de turbines hydrauliques

Composants :Po : pompe dalimentation crant la chute HVr : vanne de rglageTm : turbine modleFr : gnrateur / freinCa : canalRe : rservoir

Mesures : du dbit par : jaugeage volumtrique JV

ou dversoir DVou dbitmtre DM

du niveau par : limnimtre LM de la pression par : manomtre M de la vitesse

de rotation par : tachymtre TY du couple par : couplemtre ou dynamomtre CM


25

Vr JV

DM

v1

z1

M

H1

Fr

CM

TYTm

M z2

H2

p2

p1

v2DV LM

PoRe

Ca

1.5.2 Courbes caractristiques vitesse constante

Le fonctionnement normal dune turbine est vitesse constante.

Il est donc naturel de prsenter les courbes caractristiques pource cas de fonctionnement.

Pour la mesure, la turbine travaille une ouverture A fixe du dis-tributeur ou du pointeau de rglage du dbit, et loprateur variele dbit de la turbine par rglage de la pompe dalimentation ou dela vanne du banc dessai.

Ce qui donne les courbes (chute-dbit, rendement-dbit, puis-sance-dbit) reprsentes la figure 1.5.2.a.


26

Figure 1.5.2.a : Courbes caractristiques dune turbine vitesse de rotation et ouverture constantes

Q : dbit Qv: dbit videQmax: dbit maximumQ : dbit rendement maximum

H: chute nette H : chute rendement maximumh : rendementPmec: puissance larbre de la turbineA: position fixe de l'organe de rglage du dbit


27

H

Q

Q

Pmec

Qmax

Q

A = constante

h

H

Q

n = constante

Qv

Une srie dessais pour diffrentes ouvertures de la turbine per-met de construire la colline des rendements H - Q (coordonnesdimensionnelles), reprsente la figure 1.5.2.b.

Il s'agit d'un diagramme topographique o chaque ligne reprsenteun niveau de rendement constant.

Les coordonnes H (chute en m) et Q (dbit en m3/ s) seront ensuiteconverties sous une forme adimensionnelle, H devenant y et Qdevenant j.

Les coefficients y et j seront dfinis dans le 1.6.3.

Labaque y - j permet, partir des essais sur modle, de dtermi-ner les courbes caractristiques et les rendements de toutes lesgrandeurs de turbines ayant la mme forme gomtrique que lemodle.


28

Figure 1.5.2.b : Courbes caractristiques dune turbine vitesse de rotation constante et diffrentes ouvertures go-mtriques de la turbine Colline des rendements

DF : domaine de fonctionnement de la turbine h : rendements(caractristiques de lamnagement)

A: position fixe de l'organe de rglage du dbit CR : colline des rendementsH : chute nette y : coefficient dnergieQ : dbit j : coefficient de dbit


29

y H

A1

A1 A2A3 A4

A2 A3

h 1

h 2

h 3

A4

n = constante

CR

DF

h

h 3

h 2

h 1

Q

Q

j

1.5.3 Courbes caractristiques vitesse variable

Pour connatre le comportement de la turbine pendant les rgimestransitoires (dmarrage, mise en dcharge brusque et emballe-ment), il est utile den connatre les courbes caractristiques vitessevariable.

Dans ce cas, lessai est ralis sous une chute constante, uneouverture de turbine constante et un dbit et une vitesse de rota-tion variables.

Les paramtres obtenus sont les suivants, en fonction de la vitessede rotation n (voir figure 1.5.3a) : dbit Q (utile pour calcul du coup de blier lemballement) ; rendement h ; couple sur arbre turbine (utile pour calculer lacclration du

groupe et dimensionner le volant dinertie).

De manire similaire aux courbes Q - H, ces courbes sont runiessous forme dabaque avec une colline des rendements.

Pour rendre ces courbes utilisables pour toute grandeur de turbineet toute hauteur de chute, les chelles sont converties sous uneforme unitaire: le dbit Q devient dbit unitaire Q11 la vitesse n devient vitesse de rotation unitaire n11 le couple T devient couple unitaire T11

Dfinition de ces coefficients : voir 1.6.3.


30

Figure 1.5.3.a: Courbes caractristiques dune turbine sous chute constante, ouverture gomtrique constante et vitessede rotation variable

Q : dbit n : vitesse de rotationA: position fixe de l'organe de rglage du dbit Q, h, n : valeurs rendement maximumh : rendement ne, Qe: valeurs lemballementT : couple Qo, To: valeurs roue de la turbine bloque


31

Q

n

n

n

nen

H = constante

Q

A

A

A

h

h

T

Qo

Qe

Qe

T

To

Figure 1.5.3.b : Courbes caractristiques dune turbine sous chute constante et vitesse de rotation variable pour dif-frentes ouvertures gomtriques de la turbine

A : position fixe de lorgane de rglage du dbitQ : dbitn : vitesse de rotationT : couple larbreQ11, T11, n11 : valeurs unitairesCR: colline des rendements


32

Q11 Q H = constante

A4

A3

A2

A1

A4

A3

A2

A1

h 1

h = 0 emballement

h 2h 2

h 1

h 3

h 4

n

n11

n

n11

T11 T

CR

1.6 Lois de similitude

1.6.1 Changement des caractristiquesde fonctionnement dune turbine donne

Une turbine de dimensions connues travaille sous une chutevariable avec une ouverture gomtrique donne. Les relationsentre les diffrents paramtres sont les suivantes :

chute (m) H1 H2

dbit (m3/s) Q1

vitesse de rotation (t/min) n1

couple (Nm) T1

puissance (W ou kW) P1

A laide de ces formules, il est possible de calculer les nouvellescaractristiques dune turbine construite pour un site donn etdplace sur un autre, de chute diffrente. Ce cas peut se produirelors de lachat dune turbine doccasion.

Exemple

Achat dune turbine Kaplan ayant les donnes suivantes sur saplaque signaltique:

n = 600 t /minH = 4.50 mQ = 2.0 m3 /secPuissance larbre : P = 75 kW


33

Q2 = Q1H2H1

n2 = n1H2H1

T2 = T1 H2H1

P2 = P1 H2

1,5

H11,5

Lacheteur aimerait installer cette machine sur un site avec une chuteplus faible :

H = 3.50 m

Cette turbine ne pourra pas tre utilise avec lancienne gnra-trice.

Etant donn que sa vitesse de rotation nest pas en correspondanceavec la frquence du rseau (fraction de 50 Hz ou de 3000 t /min),la gnratrice devra tre entrane par un rducteur ou une trans-mission par courroie.

1.6.2 Changement des caractristiques et de la tailledune turbine

Les lois de similitude de lhydraulique permettent de dmontrer queles turbines peuvent tre classes en fonction de leur forme go-mtrique, indpendamment de leur taille.

Cest ainsi quil est possible, partir dun modle rduit, de connatreles performances de toutes les turbines de forme gomtriquementsemblables au modle.

Les caractristiques de fonctionnement sont directement dpen-dantes dun diamtre de rfrence mesur sur la roue de la turbine.

Modle : diamtre de rfrence Dm

Excution : diamtre de rfrence D

Rapportdes dbits : QQm

= nnm D

Dm

3

Rapportdes chutes : HHm= nnm

2 DDm

2

Nouvellevitessede rotation: n = 600 3,54,5 = 529 t / min

La puissancesera rduite P = 75 3,54,5

1,5= 51 kW

Le nouveaudbit sera Q = 2 3,54,5

= 1.76m3 / sec


34

Le rendement dune turbine pourra varier de quelques pourcentsentre un modle et son excution en grandeur relle.

Il ne suit pas une loi de similitude bien dfinie, mais peut tre estim partir de formules empiriques prsentes, en particulier, dans lesnormes rgissant les essais de rception.

Les diffrences sont influences par :

le rapport des dimensions entre modle et excution ;

la qualit de la fabrication (respect des formes, prcision etqualit de la finition) ;

les conditions dexploitation (chute, dbit, vitesse de rotation).

Le rendement garanti restera donc toujours du domaine de res-ponsabilit du constructeur.

1.6.3 Paramtres unitaires et adimensionnels

Sous 1.5.2, il a t mentionn que la chute H et le dbit taienthabituellement convertis en chiffres adimensionnels y et j , tenantcompte des lois de similitude.

Leur dfinition est la suivante :

Coefficient dnergie (sans unit)

Coefficient de dbit (sans unit)

De mme pour les coefficients cits sous 1.5.3, sous forme unitaire.

= 8 Qpi D3

= 8 g H2 D2

Rapportdes puissances: PPm= nnm

3 DDm

5

Rapportdes couples: TTm= nnm

2 DDm

5


35

Dbit unitaire

= dbit dune turbine de 1 m de diamtre fonctionnant sous

une chute de 1 m.

Vitesse de rotation unitaire

= vitesse de rotation dune turbine de 1 m de diamtrefonctionnant sous une chute de 1 m.

Couple unitaire

= couple dune turbine de 1 m de diamtre fonctionnant sous

une chute de 1 m.

Avec :H = chute nette (m)g = acclration de la pesanteur = 9.81 m/s2

w = vitesse de rotation (rad / s)n = vitesse de rotation (t /min.) avec w = P n /30D = diamtre de rfrence de la turbine (m)Q = dbit (m3/ s)T = couple (Nm)

Les deux types de reprsentation (unitaire ou adimensionnelle) peu-vent se retrouver dans la littrature ou dans la documentation desfabricants de turbines.

T11 =T

D3 HN / m3

n11 =n D

Hm1 / 2 t / min

Q11 =Q

D2 Hm1 / 2 / s


36

1.7 Classification des turbines Vitessespcifique

Les diffrents types de turbines sont classs en fonction dun seulparamtre, driv des lois de similitude, la vitesse spcifique.

Il en existe plusieurs dfinitions, qui peuvent encore toutes se retrou-ver dans la littrature ou dans la documentation des fabricants.

1. Vitesse spcifique Ns

Vitesse de rotation, en t /min, dune turbine travaillant sous unechute de 1 m et dlivrant une puissance de 1 kW.

Cette formule a pour inconvnient que le rendement de la turbineest inclus dans la puissance P.

Anciennement, et peut tre encore aujourdhui chez certains fabri-cants, P est indiqu en CV (1 CV = 0,736 kW)

2. Vitesse spcifique nq

Vitesse de rotation, en t /min, dune turbine travaillant sous unechute de 1 m avec un dbit de 1m3/ s

conversion: Ns = 3,13 nq 3,0 nq

nq = n Q1/2

H3/4

Nsa = n Pcv

1/2

H5/4= 1.166 Ns

Ns = n P1/2

H5/4


37

3. Vitesse spcifique n

n est un chiffre quivalent nq, mais sans dimensions

n = 0.00634 nq

Units : H (m)Q (m3/ s)n (t /min)P (kW)w (rad / s)

= Q/pi 1/2

2 g H3/4

=1/23/ 4

(sans dimensions)


38

1.8 Rsum des principaux types de turbines et de leur domainedapplication


39

Figure 1.8.1 : Turbines action

Turbine PELTON

Q petit Ns = 6 ....60H grand nq = 2 .... 20

n = 0.01 .... 0,11

Turbine CROSSFLOW

Q petit moyen Ns = 30 ....210H moyen petit nq = 10 .... 70

n = 0,06 .... 0,45


40

Figure 1.8.2 : Turbines raction

Turbine FRANCIS

Q moyen Ns = 50 .... 350H moyen nq = 16 .... 120

n = 0,1 .... 0,75

Turbine KAPLAN

Q grand Ns = 200 .... 950H petit nq = 65 .... 300

n = 0,4 .... 2,0

DistributeurArbre

Bche spirale

AubeRoue

Diffuseur

Entretoise

Arbre

Roue

Bche spiraleou semi-spirale

Distributeur

Diffuseur

Figure 1.8.2 : Turbines raction


41

Pompe inverse

P : fonctionnement en pompeT : fonctionnement en turbine

Q faible moyen Ns = 15.... 300H grand moyen nq = 5 .... 100

n = 0,032 .... 0,634

PT

T

P

P

TkW

2. Turbines action

43

2. Turbines action

2.1 Principe de fonctionnement 44

2.2 Turbine Pelton 48

2.3 Turbine Crossflow 52

2.1 Principe de fonctionnement

Un jet libre agit sur des augets ou des aubes profiles places surla priphrie dune roue (action).

Ce jet exerce une force sur lauget en mouvement de rotation, quiest transforme en couple et puissance mcanique sur larbre dela turbine.

La turbine action est caractrise par le fait que lnergie dis-position de laubage est entirement sous forme dnergie cintique.Lchange dnergie entre leau et laubage a lieu pressionconstante, gnralement la pression atmosphrique. La roue de laturbine est dnoye et tourne dans lair.

La figure 2.1.a prsente schmatiquement une turbine action etses paramtres de fonctionnement.

2. Turbines action

44

2. Turbines action

45

Figure 2.1.a : Schma dune turbine action avec ses paramtres de fonctionnement

Composants :Inj : injecteurJt : jet deauRa: roue de la turbineAug : auget ou aube profile

Paramtres :Q : dbit (m3/ s)H : chute nette (m)E = gH: nergie massique nette (J / kg)C @ (2gH)1/2 vitesse de leau du jet (m /s)R : rayon de la roue tangent au jet (m)U = w R : vitesse priphrique de la roue lauget (m /s)Fh: force hydrodynamique du jet sur lauget (N)T = R Fh = couple sur larbre (Nm)w : vitesse de rotation (rad / s)

Inj

air

air

Aug

Jt

Fh

Ra

eau

X

CQ

H U

X

T, w

R

La figure 2.1.b prsente les trois cas de fonctionnement principauxde ce type de turbine, soit :

1. roue bloque, couple environ le double du couple nominal ;

2. roue en rgime de fonctionnement normal, vitesse priphrique

de la roue selon la thorie 50 % de la vitesse du jet, en pratique

45 48%;

3. roue l'emballement, vitesse de rotation selon la thorie 2 fois

la vitesse nominale; en pratique 1.8 fois.

Remarque : la vitesse de leau dans le jet ne dpend que de la chute ; le dbit est calcul partir de la section du jet et de la vitesse de

leau ; le dbit est indpendant de la vitesse de rotation de la turbine.

Il ne dpend que de l'injecteur. En cas demballement, il resteconstant.

2. Turbines action

46

Figure 2.1.b : Cas de fonctionnement dune turbine action

1. Roue bloque2. Roue en fonctionnement nominal3. Roue l'emballement

Vitesse de rotation Couple Puissancew = 0 To @ 2 Tn Pmec = 0w = w n T = Tn Pmec = maxw e = 1.8 w n T = 0 Pmec = 0

Relations:

Puissance : Pmec = w T

2. Turbines action

47

Couple: T = Tn 2 n

Coupe en plan X X de l'aubage (voir figure 2.1.a)

1

C U UCC 2 3

w = 0w = w e @ 2 w n

U = 0 Un @ 0,5 C Un @ C

Fh = Fhn @ r Q CFh @ 2 Fhn Fh @ 0

= n =UnR

T, Pmec

Pmec max

Pmec

To

Tn

T

w = 0 w = w n w = w e

w

2.2 Turbine Pelton

La turbine Pelton est constitue par une roue augets qui est miseen mouvement par un jet deau provenant dun injecteur.

Les augets sont profils pour obtenir un rendement maximum touten permettant leau de schapper sur les cts de la roue. Ils com-portent une chancrure qui assure une pntration progressive opti-male du jet dans l'auget. Linjecteur est conu pour produire un jetcylindrique aussi homogne que possible avec un minimum de dis-persion.

Une turbine Pelton peut tre quipe de plusieurs injecteurs,jusqu 6. Le dbit est rglable laide dun pointeau mobile lint-rieur de linjecteur, qui est dplac par un servomoteur hydrauliqueou lectrique. Ce pointeau est asservi la rgulation de la turbine.

La turbine Pelton comporte aussi dans la majorit des cas undflecteur qui se place rapidement entre linjecteur et la roue pourdvier le jet, ceci pour viter lemballement de la turbine en cas dedclenchement brusque de la gnratrice.

Ce dflecteur est souvent manuvr par un ressort ou un contre-poids qui permet sa mise en action sans ncessiter de sourcednergie extrieure.

Ces diffrents organes sont placs dans un bti, ou bche posesur le canal de fuite de la turbine.

Etant donn que la roue de la turbine tourne dans lair, les jointsdarbre nont pas tre tanches la pression, mais doivent sim-plement viter que leau ne sorte de la bche. Ils sont constituspar des disques qui centrifugent les gouttelettes deau infiltres dansun botier reli la sortie de la turbine.

La figure 2.2.a donne une vue schmatique dune roue Pelton avecdeux injecteurs. Les paramtres principaux, permettant de dter-miner le diamtre de la roue et le nombre de jets, y sont indiqus.

La figure 2.2.b prsente les composants principaux dune turbinePelton horizontale un jet.

En vue de diminuer le nombre de pices mcaniques, la roue Pel-ton peut tre fixe directement en bout darbre de la gnratrice(turbine monobloc).

La figure 2.2.c montre une turbine de ce type axe vertical et dotede 5 jets.

La turbine Pelton a pour avantages un trs bon rendement sur toutela plage des dbits, ainsi que sa simplicit mcanique.

2. Turbines action

48

Figure 2.2.a : Vue schmatique d'une roue Pelton deux jets et paramtres principaux

Paramtres de linjecteurDo: diamtre de la buse (m)D2: diamtre du jet (m)

Dbit total : Q = zi. Q1 avec zi = nombre dinjecteurs

Paramtres de la roueD1: diamtre de rfrence = diamtre sur lequel agit le jet (m)

avec H (m) chute netten (t / min) vitesse de rotation

ProportionsRapport D1/D2 compris entre 7 et 30 selon la vitesse spcifique

Vitesse demballement1,8 fois la vitesse nominale sous la chute nette H nominale

D1 =2 u1 2gH = 37 .... 41

Hn

U1 = u1 2gH avec u1 = 0,44 ... 0,48

U1 = D12

: vitessepriphriquede la roue(m/s) avec vitessede rotation (rad/s)

Diamtredu jet : D2 =4

c Q12gH

1 21 2

0.545 Q1

1 21 2

H1 41 4

Dbit par injecteur: Q1 = c 4

D22 2gH (m3/s) c = 0,96 ... 0,98

2. Turbines action

49

Injecteur

RoueDo

zr = nombre d'augets

Do

D2

D2

D1

AugetB2

2. Turbines action

50

Figure 2.2.b : Turbine Pelton axe horizontal un jet

Ra: roue augets Sm: servomoteur du pointeauBa: bche /bti Joi: joint darbreInj: injecteur Pal: palier turbinePoi : pointeau mobile Ac : accouplement turbine-gnrateurDef: dflecteur Gen: gnrateurCp : contrepoids du dflecteur

Coupe en long

Coupe en travers

Gen Ac

PalRa

Joi

Ra

BaPoi

Sm

Inj

Pal

Canal de fuite

Def

CpCanal de fuite

Figure 2.2.c : Turbine Pelton monobloc axe vertical 5 jets

Gen : gnrateurInj : injecteurRa : roue augetsBa : bche /bti

2. Turbines action

51

Elvation

Vue en plan

Gen

Ba

Inj Ra Inj

Inj

Inj

canal de fuite

raccordement laconduite force

canal de fuite

2.3 Turbine Crossflow

La turbine Crossflow, appele aussi turbine flux traversant, estune machine action qui a ceci de particulier que leau traversedeux fois la roue.

De construction simple, elle est constitue de trois parties princi-pales (voir figure 2.3.a) :

un injecteur de section rectangulaire et dont le dbit est rgl laide dune aube profile rotative, similaire une vanne papillon.Afin dassurer un arrt de la turbine sans nergie dappoint, lafermeture est souvent ralise laide dun contrepoids, etlouverture par un vrin hydraulique ;

une roue en forme de tambour, dote daubes cylindriquesprofiles ;

un bti enveloppant la roue et sur lequel sont fixs les paliers dela turbine.

Les formules permettant un calcul approximatif du diamtre ainsique de la largeur de la roue sont donnes la figure 2.3.a.

La figure 2.3.b montre les composants principaux de la machine.

La turbine, roue et injecteur, est souvent divise en 2 secteurs, delargeur 1 /3 et 2 /3 respectivement et qui peuvent tre mis en fonc-tion sparment ou ensemble. Avec ce systme, il est possibledobtenir un rendement satisfaisant sur toute la plage des dbits(voir figure 2.3.c).

La turbine Crossflow est de construction simple, ce qui a conduit sa popularit dans les pays en voie de dveloppement.

La roue, traverse deux fois par leau, est autonettoyante : lesdbris bloqus sur laubage lentre de la roue sont chasss parleau qui en sort.

En contrepartie, le rendement maximum de ce type de turbine estmoyen et reste compris, pour une machine de bonne qualit, entre80 et 83%.

La vitesse de rotation est gnralement basse ce qui fait quun mul-tiplicateur engrenages ou courroie doit tre intercal entre tur-bine et gnrateur.

Cette machine peut tre aussi source de bruit et de vibrations gn-rs par le choc priodique de leau sur les aubes cylindriques de laroue qui sont relativement lastiques (lames dacier).

Lorsque la turbine Crossflow travaille sous de faibles chutes et avecun niveau aval variable, elle peut tre quipe dun aspirateur quipermet de rcuprer entre la moiti et les trois quarts de la hau-teur daspiration. Pour ce faire, le bti de la turbine est dote dunesoupape dadmission dair prrgle pour maintenir la dpressionncessaire la sortie de la roue (voir figure 2.3.d).

2. Turbines action

52

Figure 2.3.a : Vue en coupe dune turbine Crossflow avec ses paramtres principaux

Dbit

D: diamtre de la roue (m)B : largeur de la roue (m)

H : chute nette (m)

d'o

Vitesse de rotation

d'o: et

Rapport largeur / diamtreB /D = 0.3 4selon la chute H (limit par la rsistance mcanique des aubes de la roue)

Vibration

avec zr = nombre daubes = 24 ... 32

Vitesse demballement1.8 fois la vitesse nominale sous la chute H nominale

frquenceprincipale : f = zr

2 = zr n60

(Hz)

B 0,02 ... 0,03 Q nH

pour = 120 ... 90D 38 Hn

= 0,45 2gH 2D

= 0,92gHD

(rad / s) ou n = 30 ( t / min )

B D = 1,13 ... 0,75 QH

: angled'injectionen rad ( 2

23

selon les constructeurs)

Q 0,25 D B2

2gH 0,2 ... 0,3 D B 2gH (m3 / s)

2. Turbines action

53

Ra

Ba

Inj

a

D

Inj : injecteur avec aubagerotatif

Ra: roue aubes cylindriquesBa: bche

2. Turbines action

54

Figure 2.3.b : Composants d'une turbine Crossflow

Prc : tubulure de raccordement turbine-conduiteAd : volet rotatif de linjecteurInj : injecteurRa : roue aubesBa : btiAsp : aspirateurAc : accouplement darbre avec multiplicateur ou gnrateurPal : palierJoi : joint darbreArb : arbre de la turbine

Coupe en long Coupe en travers

PcrAd

InjRa

BaPal

Ac

Asp

JoiArb

Pal

B

1/3 2/3

Figure 2.3.c : Principe de la rgulation du dbit par secteurs de roue en fonction

2. Turbines action

55

h / h max rendement relatif

secteur 1/3

secteur 2/3

secteur 1/3 + 2/3

dbit relatif Q / Qmax

2. Turbines action

56

Figu

re 2

.3.d

: Chu

te n

ette

d'u

ne tu

rbin

e cr

ossfl

ow s

ans

et a

vec

aspi

rate

ur

Hb:

chu

te b

rute

H1:

chu

te n

ette

am

on

tH

L:

per

tes

de

char

ge

H:

chu

te n

ette

niv

eau

am

on

t

HL

HL

H =

H1

H =

H1

+ H

2

H1

Hst

H1

H

b

H2

niv

eau

ava

l

turb

ine

san

s as

pir

ateu

rtu

rbin

e av

ec a

spir

ateu

r

h =

air

H2

= ea

u

h

3. Turbines raction

57

3. Turbines raction

3.1 Principe de fonctionnement 58

3.2 Implantation d'une turbine raction Hauteur d'aspiration et cavitation 64

3.2.1 Hauteur d'aspiration 643.2.2 Hauteur d'aspiration et cavitation 663.2.3 Torche de vapeur 703.2.4 Calcul de la hauteur d'aspiration limite d'une turbine raction 72

3.3 Vitesse et dbit d'emballement d'une turbine raction 75

3.4 Turbine Francis 76

3.5 Pompe inverse 80

3.6 Turbines hlice et Kaplan 82

3.1 Principe de fonctionnement

Une turbine raction est une machine ferme (noye) qui utilise la fois la vitesse de leau (nergie cintique) et une diffrence depression.

Deux principes sont la base de son fonctionnement :

1. la cration dun tourbillon au moyen dune bche spirale,

daubages directeurs, ou les deux la fois ;

2. la rcupration du mouvement circulaire du tourbillon par les

aubages dune roue en rotation qui dvient les filets deau pour

leur donner une direction parallle laxe de rotation.

Ces aubages se comportent comme une aile davion : lcoulementde leau provoque sur le profil de laube une force hydrodynamiquequi induit un couple sur larbre de la turbine.

Comme pour une aile davion, la force portante rsulte dune dif-frence de pression entre les deux faces du profil (intrados et extra-dos).

La figure 3.a prsente une image schmatique dune turbine rac-tion.

Lquation fondamentale dune turbine raction est lquationdEuler, qui dfinit la relation entre les vitesses lentre et la sor-tie de laubage et lnergie massique disposition (voir figure 3.1.c)

E = gH = U1Cu1 - U2Cu2 (J / kg)

avec :

U1 = w R1 vitesse priphrique de laubage lentre de la roue(entre du filet deau), dite vitesse dentranement

Cu1 composante priphrique de la vitesse absolue C de leau lentre de la roue (tourbillon dentre)

U2 = w R2 vitesse de laubage la sortie de la roue, dite vitessedentranement

Cu2 composante priphrique de la vitesse absolue C de leau la sortie de la roue (tourbillon de sortie)

U1Cu1 dfinit lnergie du tourbillon dentre cr par la bchespirale et /ou les aubages directeurs

U2Cu2 dfinit lnergie tourbillonnaire perdue la sortie de laturbine. Au point de fonctionnement optimum de la tur-bine, cette nergie est nulle (pas de tourbillon aprs laroue)

C est la vitesse absolue de leau dans la machine.

3. Turbines raction

58

3. Turbines raction

59

Figure 3.1.a : Image schmatique dune turbine raction

Bsp: canal tourbillon figurant la bche spiraleRa : roue palettes figurant la roue aubes de la turbine, place dans le tourbillon deau Tou

Ra

Bsp

Tou

Sa composante mridienne Cm est donne par le dbit qui traversela turbine (voir figures 3.1.c et 3.1.d).

La vitesse W est la vitesse relative de leau par rapport laubage.Sa direction, calcule partir de Cu, Cm et U, fixe langle de laubagepar rapport lcoulement.

La figure 3.1.b prsente une vue schmatique dune turbine rac-tion de type Francis, avec ses composants.

Dans ce type de machine, le tourbillon est cr par une bche spi-rale, langle final de lcoulement tourbillonnaire tant dfini parle distributeur, en rgle gnrale mobile.

Leau scoule radialement pour changer de direction travers laroue et en ressortir axialement.

La figure 3.1.c montre les profils des aubages directeurs et de laroue, ainsi que les triangles des vitesses absolue (C), dentrane-ment (U) et relative (W) lentre et la sortie de la roue dune tur-bine radiale, de type Francis.

La figure 3.1.d prsente schmatiquement une turbine axiale.

Dans cette machine, leau entre axialement, et est mise en rotationpar laubage du distributeur uniquement puisquil ny a pas de bchespirale.

La figure montre galement les triangles des vitesses lentre et la sortie de la roue.

3. Turbines raction

60

Figure 3.1.b : Vue schmatique dune turbine raction de type Francis

Bche spirale : enveloppe sous pression permettant la mise en rotation du fluide

Distributeur : aubage fixe ou mobile dfinissant le dbit la turbine et lintensit du tourbillon

Roue de la turbine : rcupre lnergie du tourbillon pour la transformer en nergie mcanique

Aspirateur : conduit conique divergent servant ralentir la vitesse de sortie de la turbine, ce qui permet derduire lnergie cintique perdue la sortie de la turbine et rcuprer lnergie hydrauliquestatique laval de celle-ci (hauteur daspiration Hs)

3. Turbines raction

61

sens de rotation du tourbillonet de la roue

roue de la turbine

aubage dudistributeur

bchespirale

aspirateur Hs

X

XQ

3. Turbines raction

62

Figure 3.1.c : Profil des aubages du distributeur et de la roue selon la coupe X-X suivie par les filets liquides traver-sant une turbine radiale (Francis)

Vitesses lentre (1) et la sortie (2) de la roue :

C : vitesse absolue de leauCu: composante priphrique de C (en relation avec H)Cm: composante mridienne de C (en relation avec Q)U = w R: vitesse priphrique de la roueW: vitesse relative de leau par rapport laubage de la rouea : angle impos par le distributeur (dfinit Cu)b : angle de laubage de la roue

sens de rotationde la roue

aubage dudistributeur

triangles des vitessessortie roue (2)

triangles des vitessesentre roue (1)

aubage de laroue

a 1

b 1

b 2

b 1

b 2

w

U1

U1

Cu1

Cm1

W1

C1

R1R2

U2

U2

W2C2

W2C1

Cu2

Cm1

Cm2

W1

C2

(1) (2)

a 2

a 2

a 2

Figure 3.1.d : Vue schmatique dune turbine raction axiale (Kaplan ou hlice) avec triangles des vitesses. Dfini-tion des vitessesvoir figure 3.1.c

Relations importantes :

Energie massique (quation dEuler) : E = gH = U1Cu1 - U2Cu2 (J / kg)

Dbit : Q = Cm S (m3/ s) avec : Cm = composante mridienne de la vitesse absolue C (m/s)S = surface de passage perpendiculaire Cm (m2)

Coefficient de dbit : = CmU

Coefficient d'nergie : = 2gHU2

3. Turbines raction

63

Q

Co

U1

W1

W2

U2

C1

C2

aubage du

aubage de

la roue

aspirateur

distributeur

entre distributeur

(0)

entre roue

(1)

sortie roue

triangles des vitessesentre roue (1)

triangles des vitessessortie roue (2)(2)

Cu1

Cu2 U2

W2

Cm2

C2

U1

W1

C1

Cm1

a 1

a 2

b 1

b 2

3.2 Implantation dune turbine ractionHauteur daspiration et cavitation

3.2.1 Hauteur daspiration

La hauteur daspiration Hs dune turbine raction, dfinie sur lafigure 3.2.1, est mesure entre le plan deau aval et laxe de la rouede la turbine. La valeur de Hs est positive si la turbine se trouveau-dessus du niveau deau aval et ngative dans le cascontraire.

3. Turbines raction

64

Figure 3.2.1 : Hauteur daspiration Hs pour diffrents types de turbines

a) turbine Francis lente (nq petit)b) turbine Francis rapide (nq grand)c) turbine Kaplan ou hliceHs positif : niveau deau aval plus bas que la turbine

3. Turbines raction

65

gnrateur

turbine

aspirateur

turbines axe horizontal

turbines axe vertical

vanne descurit

Hs

Hs

Hs

a b c

3.2.2 Hauteur daspiration et cavitation

Pour rduire les frais de construction du gnie civil, une turbine raction sera place le plus haut possible par rapport au niveau aval(Hs maximum).

Mais, en surlevant la turbine, la pression devient ngative la sor-tie de la roue de la turbine (dpression).

A la dpression statique, gale la hauteur daspiration, se sous-trait encore la dpression dynamique due lcoulement de leauautour du profil de laube (voir aussi 3.2.4).

En effet, lorsquun profil daube de turbine se dplace dans leau,il se produit sur une de ses faces (lintrados) une zone de surpres-sion et sur lautre (lextrados) une zone de dpression.

Ce sont ces diffrences de pressions entre intrados et extrados quicrent la force hydrodynamique sur le profil qui mettra la turbineen rotation. La figure 3.2.2.a reprsente la rpartition des pressionsdynamiques autour dun profil.

En augmentant la hauteur daspiration, la dpression sur lextra-dos ajoute la dpression statique atteint localement la pressionde vaporisation de leau. Il y a alors formation de bulles de vapeurqui se dtachent de la surface de laube en suivant lcoulement.

Ds quelles atteignent une zone o la pression est plus leve, lesbulles de vapeur implosent en crant de fortes ondes de pressiondynamique.

Ces implosions de bulles de vapeur ont pour consquence un cr-pitement caractristique, ou bruit de cavitation, et provoquent avecle temps lrosion par enlvement de matire de la surface delaubage.

La figure 3.2.2.a prsente schmatiquement le phnomne de lacavitation, et les photos de la figure 3.2.2.b en montrent les dgtssur des roues de pompes et de turbines.

3. Turbines raction

66

Figure 3.2.2.a : Phnomne de cavitation sur un aubage de turbine

W: vitesse relative de leau par rapport laubage en rotationU : vitesse de laubage

3. Turbines raction

67

Intrados:zone en surpression

Rpartitiondes surpressions dynamiques

Rpartitiondes dpressionsdynamiques

Extrados:zone endpression

Somme des dpressionsstatique et dynamiqueinfrieure pv, pression dedgagement de vapeur

formation de bulles de vapeur(vaporisation)

implosion de bulles de vapeur

zone d

'rosio

n

W

W

Pv

U

zone de cavitation

3. Turbines raction

68

Figure 3.2.2 b : Dgts par cavitation sur des roues de pompes et de turbines (source : IMHEF /EPFL)

3. Turbines raction

69

Roue de turbine Francisrode par cavitation

Plages cavites sur l'extrados de l'aubage d'une roue Francis

Roue de pompe radialedtruite par cavitation

3. Turbines raction

70

3.2.3 Torche de vapeur

Lcoulement dans une turbine raction se compose dun tour-billon lentre de la roue, et dun tourbillon la sortie de la roue.Ce dernier ne disparat compltement quau point de fonctionne-ment optimum de la turbine (point de meilleur rendement h

).

Pour dautres dbits, en particulier pour les dbits infrieurs, entre40 et 60% du dbit nominal, le tourbillon de sortie devient trsintense, et il peut provoquer de violentes instabilits. Un mme typede phnomne peut se produire en surcharge avec une torche quidevient axiale.

Ces instabilits sont dues au phnomne de la torche de cavita-tion : au cur du tourbillon de sortie, l o la pression est basse,il se forme une colonne, ou torche de vapeur deau.

Plus en avant dans laspirateur, cette torche de vapeur implose vio-lemment. Il sen suit des chocs basse frquence qui peuvent mettreen danger linstallation :

en provoquant des charges dynamiques leves sur la machineet les fondations ;

en induisant des pulsations de pression dans la conduite et parl des fluctuations de dbit et de puissance.

Ce phnomne peut tre difficile prvoir ; un des remdes effi-cace le plus connu consiste injecter de lair dans laspirateur audroit de la sortie de la roue.

Cet air permet damortir les chocs et ventuellement de modifierles frquences des pulsations, mais il peut entraner une baisse derendement de la turbine de 1 2 %.

Il est utile dindiquer le domaine de fonctionnement prvu de la tur-bine dans le cahier dun appel doffres, afin que le fournisseur dela machine ne nglige pas le phnomne de la torche et prenne lecas chant les mesures prventives ncessaires.

La figure 3.2.3 montre schmatiquement une torche de cavitation la sortie dune turbine Francis et les points possibles pour linjec-tion dair.

Figure 3.2.3 : Reprsentation dune torche de cavitation la sortie dune turbine Francis et rpartition des vitesses etpressions absolues la sortie de la roue

3. Turbines raction

71

distributeur

roue

aspirateur

X X

A

A

A

A pointsd'injectiond'air

C

torche decavitation (noyau devapeur)

Section X XC

p

Vitesses

pressionsabsolues

pv: vaporisation

p = 0 vide absolu

noyau devapeur (cavitation)

3.2.4 Calcul de la hauteur daspiration limite duneturbine raction

Hauteur daspiration thorique :

Sans tenir compte des effets dynamiques dus la vitesse de leau,la pression de dgagement de vapeur est atteinte lorsque

Hsth = Ha - Hv

o

Hsth = hauteur daspiration thoriquement possible en m

Ha = hauteur deau en m quivalent la pression atmosphriquepa

Hv = hauteur deau en m quivalent la pression de dgagementde vapeur (pression de vaporisation) pv

Les survitesses et dpressions locales sur laubage de la turbine(voir figure 3.2.2.a) font que la pression de dgagement de vapeurest atteinte pour une valeur de Hs infrieure la valeur thoriquesusmentionne.

Pour tenir compte de ce phnomne, les praticiens ont introduitune hauteur daspiration complmentaire s . H induite par lcou-lement

o

H est la chute nette de la turbine en m

et

s un coefficient sans dimension, dit coefficient de Thoma.

La valeur Hsth est donc rduite

Hs = Hsth - s H

Hs : hauteur daspiration limite au-del de laquelle apparat unecavitation suffisante pour endommager la roue.

La figure 3.2.4 reprsente schmatiquement la rpartition des pres-sions laval dune turbine raction.

Des valeurs indicatives de s ont t tablies sur des bases statis-tiques pour les turbines et pour les pompes. Elles sont fonction dela vitesse spcifique de la machine hydraulique considre.

Les courbes utiles pour un prdimensionnement (calcul estimatifde Hs) sont reprsentes au chapitre 4, figure 4.1.4.b.

3. Turbines raction

72

Figure 3.2.4 : Pressions utiles pour le calcul de la hauteur daspiration limite dune turbine raction ou dune pompe

Ha (pa): pression atmosphrique (pression sur niveau deau aval) (m)Hs: hauteur daspiration limite de la turbine (seuil critique de cavitation) (m)s H : hauteur pour compensation de la dpression dynamique de lcoulement autour de laubage (m)Hv (pv) : pression de dgagement de vapeur

Variation de la pression atmosphrique :altitude : 0 500 1000 2000 (m)Ha : 10 9,42 8,87 7.84 (m)(atmosphre normalise internationale INA)

Variation de la pression de dgagement de vapeurtemprature : 8 10 15 20 25 30 (C)Hv : 0.105 0.125 0.155 0.24 0.325 0.435 (m)

Relation entre pression pi et hauteur Hi :

pi : pression (N / m2; 1 bar = 105 N /m2)Hi: hauteur quivalente en colonne deau (m)r : masse volumique de leau (1000 kg /m3)g : acclration de la pesanteur (9,81 m/s2)

pi = r g Hi ou Hi = pi / r g

Les pressions sont exprimes en hauteur de colonne deau

3. Turbines raction

73

p = O

vide absolu

niveau plan

deau aval

Hv (pv)

s H

s H

axe

turbine

Hs

Hs

Ha (pa)

Cas 1: turbinesur le plan deau aval (Hs positif)

Cas 2: turbine sous leplan deau aval (Hs ngatif)

axe turbine

Ces valeurs sont indicatives et elles devront tre confirmes et pr-cises par le fabricant de la turbine dans le cadre de son offre.

Pour le calcul de la hauteur daspiration, la formule suivante seradonc utilise

Lors dune tude dun projet, il conviendra de se souvenir que :

la pression atmosphrique pa ou Ha varie avec laltitude et latemprature de lair lemplacement de la centrale hydraulique,

la pression de dgagement de vapeur pv (ou Hv) varie avec latemprature de leau.

Quelques valeurs de ces paramtres sont indiques la figure 3.2.4.

Hs est une valeur dterminante pour fixer le niveau de la turbine par rapport au plan deau aval (voir 4.1.4)

Hs = Ha - Hv - s H

3. Turbines raction

74

3. Turbines raction

75

3.3 Vitesse et dbit demballementdune turbine raction

Pour les turbines action, la vitesse demballement ne dpend quede la chute et du diamtre de la roue de la turbine, quel quen soitle type.

Ce nest plus le cas pour les turbines raction, dans lesquelleslcoulement du fluide est plus complexe. En particulier, si lcou-lement dans la roue de la turbine est radial, il se produit lors delemballement un effet de pompage, d leffet de la force cen-trifuge, qui limite la vitesse demballement et diminue le dbit.

Ce phnomne est plus particulirement marqu pour les pompescentrifuges utilises comme turbine, dont le diamtre de la roueest plus grand que celui dune turbine Francis quivalente.

Une turbine axiale noffrira que peu de rsistance leau lors delemballement. Laubage aura tendance se visser dans la spi-rale du tourbillon gnr par la bche spirale ou le distributeur. Lesturbines axiales auront, en consquence, des vitesses demballe-ment trs leves, jusqu 3 fois la vitesse nominale, ce qui auraune incidence sur la conception mcanique de la gnratrice.

Il est donc important que le fournisseur de la turbine indiqueclairement dans son offre, pour une chute nette donne, lavitesse et le dbit demballement de sa machine.

A titre indicatif pour un avant projet, adopter les valeurs suivantes :

Type de turbine Rapportvitesse demballement /vitesse nominale ne/nn

Francis, nq = 40 80 1.7 2.0Francis, nq = 80 120 2.0 2.2Hlice, pales et distributeur fixe 1.8 2.2Kaplan, pales rglables etdistributeur fixe 2.4 2.8Kaplan, pales et distributeurrglables 2.4 3.2Pompes inverses, nq = 30 100 1.4 1.8

Rapport dbit demballement /dbit nominal :

nq < 100 : Qe < Qnnq @ 100 : Qe @ Qnnq > 100 : Qe > Qn

3.4 Turbine Francis

Les composants principaux dune turbine Francis sont montrs surla figure 3.4.a pour une machine sans bche spirale, installe dansune chambre deau ouverte. Ce cas se prsente frquemment dansdes microcentrales anciennes.

La partie fixe de la turbine comprend lanneau dentretoises, des-tin recevoir le distributeur et le support du palier de la turbine,et qui est lui-mme directement pos sur laspirateur scell dansla dalle en bton.

Le distributeur, qui sert rgler le dbit, est constitu par une sriedaubes rotatives, entranes par des biellettes lies lanneau devannage. Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande dudistributeur qui lentrane par deux tirants.

La tige de commande peut tre manuvre la main (anciennesinstallations) ou par un moteur hydraulique ou lectrique (instal-lations automatiques).

La roue de la turbine est place lintrieur du distributeur. Larbrequi la relie la gnratrice ou un multiplicateur de vitesse est guidpar le palier principal de la turbine.

3. Turbines raction

76

Figure 3.4.a : Composants principaux dune turbine Francis

Ent : anneau dentretoisesAd: aube mobile du distributeurBi : biellette dentranement de laube du distributeurAnv : anneau de vannageTc: tige de commande du distributeurRa: roue aubeAsp: aspirateurPal: palier principalAt: arbre turbine

3. Turbines raction

77

Vue en coupe

Vue en plan

Tc

At

PalEnt

Tc

Ra

Asp

Hb

Anv

Bi

Ad

La figure 3.4.b donne quelques indications permettant destimer lagrandeur dune roue de turbine Francis.

Cette figure montre galement lvolution de la forme de la roueen fonction de la vitesse spcifique nq.

Les turbines dites lentes (nq petit) ont un coulement radial, alorsque lcoulement dans les machines rapides (nq lev) devientsemi-axial.

3. Turbines raction

78

avec Y 1i = 1.65 ... 1,8

(m)

(m)D2e 4,44 Qn

1 31 3

avec 2e = 0,26 ... 0,28

R2e =D2e2

= Q / 2e 1 31 3

D1i 64,4 Hn

R1i =D1i2

=2gH

1i 21 21 2 H: chute nette (m)

Q : dbit au rendement maximum (m3/s)w : vitesse de rotation (rad / s)n : vitesse de rotation (t / min)zo: nombre daubes du distributeurzr : nombre daubes de la roue

3. Turbines raction

79

Do

D1izo

Bozr

D2e

nq = 29 min-1 nq = 51 min-1 nq = 100 min-1

0,11

0,24

0,351,0 1,0

1,0

1,0

1,15

0.69

Figure 3.4.b : Dimensions principales dune roue de turbine Francis pour diffrentes vitesses spcifiques

3.5 Pompe inverse

La pompe inverse est une pompe standard qui est utilise commeturbine en inversant le sens de lcoulement de leau ainsi que celuide la rotation de larbre.

Son fonctionnement peut se comparer celui dune turbine Fran-cis dont le distributeur resterait en position fixe.

Il sagit dune machine simple et bon march (prix infrieur la moi-ti de celui dune turbine construite sur mesure).

Son application va des hautes aux basses pressions, mais restecependant limite pour les raisons suivantes :

la pompe inverse ne peut travailler qu dbit constant ;

en cas de dcharge brusque (panne du rseau lectrique), ellepeut provoquer dimportants coups de blier dans les conduites,car son dbit lemballement est infrieur son dbit nominal ;

sa construction mcanique doit tre contrle en vue du fonction-nement en turbine (paliers, joints, vitesse demballement) ;

son rendement est infrieur celui dune turbine.

Il est important de noter que le point de fonctionnement optimaldune pompe utilise comme turbine est notablement diffrent decelui de la mme machine utilise comme pompe.

La chute nette optimale en rgime turbine est environ 1.3 1.6 foiscelle de la pompe, et le dbit 1.2 1.4 fois, ceci pour une vitessespcifique nq comprise entre 30 et 100.

La slection dune pompe utilise comme turbine reste laffaire despcialistes, et il est recommand de travailler avec des fournis-seurs de pompes ayant de lexprience dans ce domaine, capablesde fournir des courbes caractristiques garanties et si possiblemesures sur banc dessai en usine.

La figure 3.5 prsente les courbes caractristiques compltes dunepompe vitesse de rotation constante.

3. Turbines raction

80

Figure 3.5 : Courbes caractristiques compltes dune pompe vitesse de rotation constante

Qnp, Hnp, h pmax: point de fonctionnement optimum comme pompeQnt, Hnt, h tmax: point de fonctionnement optimum comme turbine

n : vitesse de rotationQ : dbitH : chute (ou charge)P : puissanceh : rendement

3. Turbines raction

81

conventiondes signes

Q+

Q+

Q+

Q+

n+

pompe commefrein

pompe enturbine

pompe normale

H

n-

h tmax

h tmax

h pmax

h pmax

Hnt

Hnp

n+

-Q

-Q

Qnt

Qnt

Pnt

Qnp

Qnp

Pnp

h

P

3.6 Turbines hlice et Kaplan

Les turbines hlice et Kaplan sont les plus appropries pour le tur-binage des faibles chutes. Elles se particularisent par leur roue quiest similaire une hlice de bateau, et dont les pales sont fixes (tur-bine hlice) ou rglables en marche (turbine Kaplan).

Ces machines sont classes en fonction de :

a) leurs possibilits de rglage, selon les exigences du site :

turbine hlice pales et distributeur fixes : pour des dbitsconstants, puissance fixe;

turbine hlice pales fixes et distributeur mobile : pour desdbits levs et peu variables;

turbine Kaplan pales variables et distributeur fixe : permetde turbiner bon rendement des dbits variant entre 30 et100%;

turbine Kaplan pales et distributeur rglables : adapte pourdes dbits trs variables, entre 15 et 100 %. Il sagit de lamachine la plus complique avec ses deux possibilits de rgu-lation qui doivent tre accordes ensemble pour donner lesrsultats voulus : pour chaque position de pale, le distributeurdoit tre cal sur langle qui donne le meilleur rendement total.

En pratique, le signal de la rgulation commande lun des deux

organes (par exemple la roue) et le second est asservi au premier

selon une loi de corrlation qui donne automatiquement la

position optimale, par une came ou une programmation

lectronique.

b) le type dcoulement

la roue dune turbine Kaplan peut tre place dans un distri-buteur classique, comme sur une turbine Francis.Lcoulement est radial dans le distributeur, puis axial tra-vers la roue.La turbine est place soit dans une bche spirale, soit dans unechambre deau, comme la turbine Francis de la figure 3.4.a.

le distributeur peut tre conique, ou axial, et lcoulement subitainsi un minimum de changement de direction. Cest le typede machine qui est reprsente sur la figure 3.6.a, qui en pr-sente les composants principaux.

Cette disposition permet dobtenir une construction trs com-pacte : la turbine peut tre intgre dans une conduite, ce quisimplifie le gnie civil.

3. Turbines raction

82

Figu

re 3

.6.a

: Com

posa

nts

prin

cipa

ux d

une

turb

ine

Kap

lan

Ah

:al

imen

tati

on

hu

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Cp

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mm

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la r

ou

e

3. Turbines raction

83

At

Cp

Pa

Pal

An

v

Ah

Ad

En

tT

cpJo

iV

h

Do la varit des dispositions possibles :

turbine dans conduite en siphon ;

turbine en S dans conduite (amont ou aval);

turbine bulbe ;

turbine immerge monobloc (voir figure 4.1.4.c).

La figure 3.6.b dsigne les dimensions principales dune turbineKaplan distributeur radial, avec les indications pour estimerapproximativement le diamtre de la roue.

3. Turbines raction

84

Figure 3.6.b : Dimensions principales dune turbine Kaplan et calcul approximatif du diamtre de la roue

(m)

H : chute nette (m)n : vitesse de rotation (t /min)cue : coefficient de vitesse, fonction de la vitesse spcifique nq

cue: 1.2 1.4 1.51 1.65 1.75 1.85 1.95nq: 100 125 150 175 200 225 250

De : diamtre indicatif du manteau de la roue (m)Di : diamtre du moyeu de la roue (m)z0 : nombre daubes du distributeurzr : nombre daubes de la roue

De 84,6 cue Hn

3. Turbines raction

85

D0

z0

B0

zr

Di

De

4. Slection d'une turbine et appel d'offres

87


4.1 Slection dun ou plusieurs types de turbines 884.1.1 Chute brute et chute nette en fonction du dbit 884.1.2 Courbe des rendements des turbines en fonction du dbit 924.1.3 Vitesse de rotation du groupe turbine-gnrateur 944.1.4 Implantation de la turbine 964.1.5 Disposition du groupe 1024.1.6 Marche suivre pour slection prliminaire 104

4.2 Appel doffres prliminaires 1044.2.1 Procdure propose pour un appel doffres 1044.2.2 Demande doffres budgtaires 105

4.3 Cahier des charges pour appel doffres 106

4.1 Slection dun ou plusieurs typesde turbines

La slection dun type de turbine va tre fonction non seulementde la chute nette et du dbit, mais aussi des donnes spcifiquesau site sur lequel la machine sera installe.

4.1.1 Chute brute et chute nette en fonction du dbit

Dans quelle mesure la chute va-t-elle varier :

en fonction du dbit (pertes de charge) ;

en fonction des conditions hydrologiques extrmes (par exemplelvation du niveau aval en cas de crue) ;

en fonction du concept de lamnagement (hauteur de chutevariable dans un rservoir daccumulation par exemple).

Il est donc utile dtablir le plus exactement possible les conditionsdexploitation, en gardant en mmoire quune turbine raction,de type Francis ou Kaplan, sadapte mieux des fortes variationsde chute relative quune turbine action, Pelton ou Crossflow.

Les abaques, figures 4.1.1.a (turbines) et 4.1.1.b (pompes inverses)permettent de prslectionner un type de turbine en fonction de lachute et du dbit.


88


89

Figure 4.1.1.a: Domaine d'utilisation des diffrents types de turbines (chutes nettes, dbits, puissances)

Ch

ute

net

te H

(m

)

Dbit Q (m3/s)

Crossflow


90

Figu

re 4

.1.1

.b: D

omai

ne d

util

isat

ion

(chu

te n

ette

, db

it, p

uiss

ance

) des

pom

pes

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rse

s ut

ilis

es c

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rbin

e


91

po

mp

es

un

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mp

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do

ub

le fl

ux

po

mp

es m

ult

ita

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po

mp

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lti

tag

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po

mp

esra

dia

les

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n

tag

e

po

mp

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iag

on

ales

Chute nette H(m)

po

mp

es

do

ub

le fl

ux

Db

it Q

(m

3 (s)

4.1.2 Courbe des rendements des turbines en fonction du dbit

Le dbit disposition et sa variation annuelle va galement influen-cer le choix de la turbine :

dbit constant (eau excdentaire en permanence) turbine ouverture fixe, par exemple pompe inverse, turbine hlice palesfixes, Pelton injecteur fixe ;

dbit peu variable, la turbine fonctionne peu dheures paranne faible charge. Dans ce cas, une turbine Francis ou uneturbine Kaplan distributeur fixe, avec un excellent rendementau dbit nominal et dfavorable en dessous de 40% de ce dbit,peuvent prsenter un meilleur bilan conomique que par exempleune turbine Crossflow, moins chre, mais avec un moins bonrendement de pointe ;

dbit trs variable, la turbine fonctionne souvent faible dbit.Dans ce cas, une turbine Crossflow peut tre plus favorablequune turbine Francis, malgr son rendement maximuminfrieur.Une turbine Pelton jets multiples est suprieure une turbineFrancis, une turbine Kaplan double rglage meilleure que desmachines simple rglage de prix infrieur.

Dans certains cas, linstallation de deux turbines peut constituer lasolution nergtiquement et conomiquement la plus favorable(2 turbines accouples un gnrateur ou 2 groupes indpen-dants).

La forme des courbes de rendement, ainsi que les valeurs maxi-mum indiques la figure 4.1.2 permettent une premire compa-raison entre les divers types de turbines.


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Figure 4.1.2 : Forme des courbes de rendement de diffrentes turbines pour des dbits variables

Ordre de grandeur des rendements maximum h max:

Courbe 1 : Turbine Pelton h max = 84 - 90%Turbine Crossflow 2 cellules h max = 78 - 84%

Courbe 2 : Turbine Kaplan h max = 84 - 90%

Courbe 3 : Turbine Francis h max = 84 - 90%Turbine Crossflow 1 cellule h max = 78 - 84%

Courbe 4 : Pompe inverse h max = 75 - 90%


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Dbit relatif Q/Qmax

Ren

dem

ent

rela

tif

des

tu

rbin

es h

/hm

ax

1 2 3 4

4.1.3 Vitesse de rotation du groupe turbine-gnrateur

La vitesse de rotation dun gnrateur est lie la frquenceconstante du rseau 50 Hz.

Les gnrateurs synchrones, selon leur nombre de ples, tourne-ront aux vitesses suivantes :

1 paire de ples n = 3000 t /min2 paires de ples n = 1500 t /min3 paires de ples n = 1000 t /min4 paires de ples n = 750 t /min5 paires de ples n = 600 t /min6 paires de ples n = 500 t /min

Les vitesses de rotation des gnrateurs asynchrones seront sup-rieures de 1 2% aux valeurs indiques, une lgre survitesse tantncessaire pour crer le champ magntique dans la machine.

En pratique :

La vitesse maximum est limite 1500 t /min (2 paires de ples),pour tenir compte de la survitesse de lemballement qui provoquedes contraintes mcaniques tr

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Turbine Vlh