ETUDE D’UNE TURBINE KAPLAN

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Les éléments constitutifs

Elle est constituée par plusieurs éléments tels que :

Galerie d’amenée ou prise d’eau :

La prise d’eau est constituée par une dérivation dont l’entrée est limitée par un seuil et qui dirige le débit ainsi dérivé vers le canal d’amenée. Le contrôle du débit s’effectue le plus souvent, soit par un barrage mobile dans la rivière, soit par une vanne dans le canal d’amenée.

Canal d’amenée :

C’est un canal long ou court qui relie la prise d’eau à l’entrée de la centrale. Il est habituellement en écoulement libre à ciel ouvert.

Grille et dégrilleur :

La grille protège la turbine contre les corps charriés par la rivière, tandis que le dégrilleur, sous forme de peigne ou de râteau, débarrasse la grille des éléments flottants accumulés.

Conduite forcée :

La conduite forcée est un tuyau qui relie l’extrémité du canal d’amenée (au sommet de la pente) à la turbine (au pied de la pente). Elle supporte à son extrémité inférieure une pression de service voisine de la hauteur de chute. Le plus souvent, elle est en matière synthétique pour les centrales à faibles chutes et en métal pour les hautes chutes.

Turbine :

C’est une roue qui transforme l’énergie de l’eau sortant du distributeur en énergie mécanique. Elle est la partie principale qui donne le mouvement de rotation aux mécanismes d’entraînement de l’alternateur.

Vanne de garde :

Généralement rectangulaire, dont le fonctionnement est similaire à celui d’une guillotine et qui permet d’isoler la microcentrale de la rivière en cas de nécessité.
Elle a aussi pour rôle d’entretenir l’installation et de la protéger contre les crues,…

Alternateur :

L’alternateur permet de transformer l’énergie mécanique en électricité. Il comporte un induit fixe (stator) et un inducteur tournant (rotor).
Les alternateurs peuvent être classifiés suivant l’excitation du rotor. En ce qui concerne l’alternateur synchrone, l’excitation est produite par une petite génératrice annexe qui produit un courant créant un champ magnétique dans le rotor.

Régulateur de vitesse :

Le système de régulation rend constante la vitesse de rotation du groupe turbine-alternateur malgré la fluctuation de la charge qu’induirait une augmentation ou une diminution de la vitesse de rotation de l’alternateur. Elle permet aussi le démarrage et l’arrêt de la turbine en actionnant le distributeur.

Réseau utilisateur :

L’énergie produite peut être autoconsommée par le producteur (éclairage, matériel électrique, chauffage) ou être revendue au réseau.

Principe de fonctionnement

L’eau accumulée dans les barrages ou dérivées par les prises d’eau constitue une énergie potentielle disponible pour entraîner en rotation la turbine d’une génératrice. L’énergie hydraulique se transforme alors en énergie mécanique. Cette turbine accouplée mécaniquement à un alternateur l’entraîne en rotation afin de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.

Turbines hydrauliques

Introduction

Le nom de « turbine » vient du latin « turbo » signifiant « toupie ». Les turbines hydrauliques font partie des turbomachines. Elles convertissent l’énergie potentielle de l’eau en énergie mécanique. Pour ce faire, l’énergie potentielle gravitationnelle est tout d’abord convertie en énergie cinétique. L’eau en écoulement est accélérée à une vitesse la plus élevée possible à l’intérieur d’un distributeur ou d’une buse. L’impulsion du fluide est rendue exploitable comme force périphérique en le déviant dans une roue.
Selon l’endroit où a lieu la transformation énergétique, on distingue :
 Turbine à action :
L’énergie potentielle totale est transformée en vitesse dans le distributeur fixe. Il n’y a pas de chute de pression entre l’entrée et la sortie de la roue. L’écoulement est uniquement dévié dans le rotor. C’est le cas des turbines Pelton, Banki-Mitchell ou Cross flow.
 Turbine à réaction :
L’énergie potentielle est convertie en partie dans le distributeur, et en partie dans le rotor. Dans le rotor, une différence de pression existe entre l’entrée et la sortie. L’écoulement est dévié et accéléré dans le rotor. C’est le cas des turbines Francis, Kaplan

Dimensionnement théorique des turbines

Le choix du type de turbine adapté à un aménagement résulte de la valeur de la vitesse spécifique Ns de chaque turbine. Les deux considérations suivantes sont essentielles pour le calcul du Ns :
 fractionnement de la puissance totale en plusieurs groupes ;
 encombrement et prix minimal de l’ensemble turbine-alternateur.
Le fractionnement de la puissance en plusieurs groupes modifie la vitesse spécifique de chacun d’eux ; ce fractionnement est imposé à la fois par les conditions d’exploitation et par des conditions d’équipement ;
Du point de vue économique : on choisit le plus faible nombre de groupes possible (turbines de grande puissance).
Du point de vue de l’exploitation : il peut être souhaitable de fractionner la puissance installée en plusieurs groupes pour accroître la sécurité de l’alimentation (certains groupes en fonctionnement, un ou plusieurs en maintenance par exemple), et pour améliorer la plage de fonctionnement et le rendement global de l’usine.
Le choix du nombre de groupes et de la puissance de chacun d’eux résultera d’un compromis entre ces deux considérations.
Le choix du nombre de groupes est en fait le choix de la puissance unitaire et du débit unitaire, deux paramètres principaux de la machine hydraulique ; ce choix sera donc lié à la vitesse spécifique, mais il fait intervenir de nombreux autres aspects technico-économiques :
 influence de la vitesse de rotation et des dimensions sur les masses et coûts de l’électromécanique et du génie civil ;
 géologie du site ;
 interaction avec le nombre de conduites forcées ;
 disposition de l’usine (des vannes, de la plage de montage, des locaux annexes) ;
 condition d’exploitation ;
 entretien, maintenance, etc…
Pour construire une turbine, il faudra donc connaître les 3 grandeurs caractéristiques suivantes :
 Débit Q
 Hauteur de chute H
 Vitesse de rotation N
Q et H étant les données de départ d’un projet, il faut trouver N. Voici les trois facteurs qui interviennent dans le choix de N :
 limiter les dimensions des éléments de la roue et des appareils électriques ;
 limiter N pour éviter la cavitation.

Type des turbines hydrauliques :

Les différents types de turbines hydrauliques répondent à des fonctions relativement précises qui peuvent servir de base à une classification sommaire.

Turbines à action :

Les turbines à action sont celles qui ont une pression d’eau à l’entrée de la turbine égale à la pression de l’eau en sortie. Elles sont les plus simples à mettre en œuvre mais leurs rendements sont moins élevés, ceci est dû à l’utilisation des injecteurs (des tuyaux) amenant l’eau jusqu’aux augets de la turbine sous forme de jet libre.

Turbine Pelton

Cette turbine est employée pour les hautes chutes 10 à 500 m et faibles débits 20 à 1000 l/s. Elle est équipée d’augets en forme de double cuillère, lesquels sont placés autour de la roue et recevant l’eau par l’intermédiaire d’un ou plusieurs injecteurs.
Ces injecteurs permettent de régler l’arrivée de l’eau même en cas de fortes variations du débit et de conserver dans l’ensemble un rendement très appréciable.

Turbines à réaction

On parle de turbine à réaction si la pression de l’entrée est supérieure à la pression de sortie de la roue. Leurs rendements sont plus élevés mais leurs fonctionnements sont plus complexes. Ces turbines sont immergées dans l’eau, car elles se trouvent à l’intérieur du canal d’écoulement du barrage pour cette raison il est important de faire attention au phénomène de cavitation qui est la résultante de la pression d’aspiration de l’eau en hauteur et se manifeste en une grande dépression sur les aubes de la roue.

Turbine Francis

Elle est utilisée pour des moyennes chutes de 5 à 100 m et des débits moyens de 100 à 6000 l/s. Elle comporte un distributeur à directrice mobile, une roue à pales fixes et un aspirateur à la sortie. Les roues peuvent être montées dans une bâche spirale ou dans une chambre d’eau. Elles ont un bon rendement, dépassant 80%, pour des débits de fonctionnement variant de 60 à 100 % du débit nominal. Cependant, ce type de turbine n’est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au-delà de ces limites. Elle est aussi appelée « turbine à écoulement radial ».

Principe de fonctionnement

Deux principes sont à la base de son fonctionnement :
• La création d’un tourbillon au moyen d’une bâche spirale, d’aubages directeurs, ou les deux à la fois ;
• La récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les aubages d’une roue en rotation qui dévient les filets d’eau pour leur donner une direction parallèle à l’axe de rotation.
Ces aubages se comportent comme une aile d’avion : l’écoulement de l’eau provoque sur le profil de l’aube une force hydrodynamique qui induit un couple sur l’arbre de la turbine.

Les principaux composants

La turbine est séparée en trois composantes principales afin de permettre le calcul de chacune des composantes dans leur repère de référence naturel. Les trois composantes considérées sont :
la partie amont, comprenant la bâche spirale et le distributeur ; la roue ;
la partie avale, comprenant l’aspirateur-diffuseur.

La partie amont

La bâche spirale : parfois appelée volute : reçoit l’eau de la conduite forcée et la redistribue dans les passages entre les avants-directrices. C’est l’organe de liaison de la roue avec la conduite forcée d’alimentation, qui assure la répartition uniforme du débit sur toute la périphérie du distributeur, et par conséquent, de la roue. Elle comporte une série d’entretoises ou avants-directrices dont l’ensemble constitue l’avant-distributeur ou cercle d’entretoises, tout en participant à la résistance mécanique de la bâche. Les entretoises contribuent conjointement, avec le distributeur, à la création d’un moment cinétique à l’entrée de l’aubage de la roue. Pour les faibles puissances où les questions de rendements sont secondaires, on place directement la turbine dans une chambre d’eau ouverte ou fermée.

Etude d’une turbine Kaplan

Le distributeur : est constitué d’éléments pivotants et des aubes directrices. Il assume deux fonctions en conjugaison avec l’avant-distributeur et il crée un moment cinétique à l’entrée de l’aubage de la roue en donnant à la vitesse d’écoulement une composante giratoire permettant d’ajuster le débit absorbé par la turbine à la valeur prescrite par le régime de fonctionnement de la turbine à un instant donné, cette opération est communément appelée réglage du débit.

La roue

C’est l’organe de transformation de l’énergie hydraulique en énergie mécanique. En général, l’élément de la surface est à double courbure, dont l’ensemble est appelé aubage. Elle est composée d’un moyeu qui est en fait le prolongement de l’arbre sur lequel sont fixés des pales. Il y a en général 3 à 10 pales dans une roue.
Les turbines hélice et Kaplan sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes. Elles se particularisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau, et dont les pales sont fixes (turbine hélice) ou réglables en marche (turbine Kaplan).
Ces machines sont classées en fonction de :

leurs possibilités de réglage, selon les exigences du site :

– turbine hélice à pales et distributeur fixes : pour des débits constants, puissance fixe ;
– turbine hélice à pales fixes et distributeur mobile : pour des débits élevés et peu variables ;
– turbine Kaplan à pales variables et distributeur fixe : permet de turbiner à bon rendement des débits variant entre 30 et 100%;
– turbine Kaplan à pales et distributeur réglables : adaptée pour des débits très variables, entre 15 et 100 %. Il s’agit de la machine la plus compliquée avec ses deux possibilités de régulation qui doivent être accordées ensemble pour donner les résultats voulus : pour chaque position de pale, le distributeur doit être calé sur l’angle qui donne le meilleur rendement total.
En pratique, le signal de la régulation commande l’un des deux organes (par exemple la roue) et le second est asservi au premier selon une loi de corrélation qui donne automatiquement la position optimale, par une came ou une programmation électronique.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I. GENERALITES
Chapitre I. Centrale hydroélectrique
I.1. Introduction
I.2. Les différents types des centrales
I.3. Les éléments constitutifs
I.4. Principe de fonctionnement
Chapitre II. Turbines hydrauliques
II.1. Introduction
II.2. Dimensionnement théorique des turbines
II.3. Type des turbines hydrauliques :
II.4. Classification des turbines :
Chapitre III. Évaluation énergétique du site
Débits instantanés et débits classés
La chute brute Hb :
Les pertes de charge
La chute nette Hn
La puissance hydraulique
Le rendement des turbines
La puissance mécanique
Les générateurs
PARTIE II. ETUDE D’UNE TURBINE KAPLAN
Chapitre IV. Description
IV.1. Types des turbines Kaplan :
IV.2. Principe de fonctionnement
IV.3. Les principaux composants
IV.4. Cavitation
IV.5. Hauteurs d’aspiration
Chapitre V. Dimensionnement
V.1. Choix d’un type de turbine adapté à ce site
V.2. La roue
V.3. Distributeur
V.4. Aspirateur-diffuseur :
V.5. Système de régulation
V.6. Paramètres de la turbine :
PARTIE III. CONCEPTION DE LA TURBINE
Chapitre VI. INTRODUCTION
VI.1. Objectif du CAO
VI.2. À propos de l’ANSYS Workbench 17.0
Chapitre VII. METHODOLOGIE DE LA CONCEPTION
VII.1. Conception par calcul manuel
VII.2. Maillage de la pale :
VII.3. Géométrie de la roue KAPLAN
Chapitre VIII. SIMULATION NUMERIQUE SUR LE LOGICIEL ANSYS
IX.1. Introduction
IX.2. Simulation de l’écoulement sur la pale
IX.3. Simulation de l’écoulement autour de la roue
Chapitre IX. SIMULATION NUMERIQUE SUR LE SOLIDWORKS
IX.1. Introduction
IX.2. DAO de la turbina Kaplan
IX.3. Génération des volumes fluides
IX.4. Procédure de la simulation :
IX.5. Conclusion
PARTIE IV. ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
Chapitre X. INTRODUCTION
Chapitre XI. ESTIMATION DES IMPACTS SUR L’ENVIRONNEMENT
X.1. Les impacts positifs
X.2. Les impacts négatifs
Chapitre XII. MESURES DE PRÉCAUTIONS
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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