Présentation de la suite de logiciels mecaflux:
Modelisation helice kaplan dans heliciel Le role du diffuseur aspirateur turbine
Captage d'énergie hydraulique par turbine helice ou kaplan 1/3: Description et fonctionnement d'un système de turbine

fonctionnement turbine kaplan helice

Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:

 

Introduction:
Le captage de l'énergie hydraulique est un exemple d' inventivité et de créativité, développé par l' homme pour s' adapter à son univers. Les principes et phénomènes physiques apprivoisés au cours des siècles ont donné naissance aux systèmes actuels de production d'énergie les plus modernes. Dans la course à l'énergie propre, la réalisation d'une turbine hydraulique reste un moyen d' accéder à une production d'énergie qui peut être localisée et dimensionnée en parfaite harmonie avec son site naturel. Mais la rentabilité du projet impose une méthode de conception raisonnée des organes du système hydraulique. De nombreux sites de petites puissances sont délaissés car la conception des turbines fait appel à des méthodes de calculs techniques qui peuvent décourager les entrepreneurs. Bien que la littérature soit riche en ce domaine, elle reste réservée à un public mathématicien. Pourtant la mathématique n'est qu 'un reflet inspiré des phénomènes physiques observés, il doit donc être possible de les décrire en langage naturel.

helice kaplan

Les calculs restent incontournables pour concevoir serieusement le syst ème, nous utiliserons donc 2 outils logiciels économiques , Mecaflux et Heliciel, qui prennent en charge la partie purement mathématique. Nous pouvons ainsi rester concentrés sur une vision globale des phénomènes physiques, produisant les transformations d'énergie. Cet article propose donc, une méthode complète et des outils de conception, dont l' ambition est de mettre à la portée de chacun la conception d'une hélice et des différents organes d' une mini centrale hydraulique à hélice.

Objectif de cet article:
Cet article reste ouvert et s' enrichira avec bonheur de votre contribution (_contact@heliciel.com_)
Les bases mathématiques nécessaires à la compréhension de la suite ont été regroupées sur une page qui pourra être consultée en parallèle comme aide mémoire: Petit rappel sur la relation Puissance , Energie , Travail, Débit.

 

Sommaire:
  1. Partie 1: Description des paramètres et organes de fonctionnement d'un système de turbine.
  2. Partie 2: La relation distributeur et helice
  3. Partie 3:La méthode de conception de l'hélice de captage hydraulique
  4. Partie 4: Didacticiel de conception d'un système de turbine.
  5.  

1: Partie1 Description des paramètres et organes de fonctionnement d'un système de turbine.
Les types de turbines:Le captage de l'énergie de l'eau prend des formes diverses pour s' adapter à a la puissance disponible du site. Les paramètres déterminants de l' installation hydroélectrique étant la hauteur de chute et le débit, on distingue 2 types de turbines qui différent suivant ces paramètres:
Les turbines à action qui fonctionnent uniquement avec l'énergie cinétique du fluide(energie de vitesse) a pression ambiante, comme la turbine Pelton adaptée au grande hauteur de chutes et faibles débits, ou la turbine CROSSFLOW:

turbines action

Les turbines à réaction qui combinent l'énergie cinétique (de vitesse) et l'énergie de pression (différence de pression entre l' entrée et la sortie d'une turbine dans une conduite de fluide) : la turbine Francis est adaptée au hauteurs et vitesses moyennes, la turbine Kaplan ou hélice qui est adaptée aux faibles chutes et fort débits

turbines reaction

Le site Héliciel est dédié à la conception des hélices, donc seulement la conception des turbines de types bulbes, straflo, Kaplan ou hélice, qui utilisent des hélices pour transformer la puissance hydraulique en puissance mécanique, sera détaillée.
La puissance hydraulique du site et la puissance produite:

La puissance hydraulique Ph en watts, du site dépend de:

  • La différence de hauteur de chute H en mètres, entre les surfaces du bassin amont et aval.
  • Le débit Q en m3/sec, traversant le système.
P(brute)= Q(m/s) x H(m) X ρ(kg/m3) x g(m/sec²)

avec :

ρ masse volumique de l'eau en kg/m3
g accélération de la pesanteur en m/s2
Q débit turbiné en m3/s
H chute en m
Expliquons ici la notion de chute brute et chute nette:
Lors de son déplacement dans la conduite allant du bassin amont au bassin aval, le fluide va subir des frottements et rencontrer des obstacles qui vont diminuer son énergie. Cette perte d'énergie dans les conduites est nommée perte de charge et s' exprime en mètres. La perte de charge représente l'énergie perdue dans les conduites. Cette perte diminue la puissance hydraulique comme si la hauteur de chute était plus faible:

hauteur nette de chute

  • Hauteur chute brute (mètres)= dénivelé bassin amont bassin aval.
  • Hauteur chute nette (mètres)= dénivelé bassin amont bassin aval - pertes de charges.(les pertes de charges seront calculées simplement avec le logiciel de calcul de pertes de charge MECAFLUX.
nous distinguerons donc la puissance nette et la puissance brute suivant la hauteur de chute(nette ou brute) prise en compte dans la formule de calcul de puissance du site:P(w)= Q(m/s) x H(m) X ρ(kg/m3) x g(m/sec²)

 

La relation vitesse, pression, altitude:
la vitesse axiale du fluide (parallèle a l'axe de rotation) dans notre hélice serait calculée suivant le débit par la relation: V(m/sec)=Q(m3/sec) / S(m²) Avec:

surface section helice

En traversant notre hélice le fluide va transmettre de son énergie à l'arbre d'hélice grâce à la dépression générée par les pales. Cette énergie perdue par le fluide se traduira par une perte de vitesse et de pression entre l' amont et l' aval de l'hélice. Pour un débit de fonctionnement donné, il faudra donc une pression en amont de l'hélice, supérieure a la pression absorbée par l'hélice. Il faut donc que la chute nette au débit de fonctionnement soit suffisante pour compenser le delta de pression généré par l'hélice. (nous négligerons pour l' instant l' effet de l' aspirateur ou du diffuseur)

 

 

Quelle puissance allons nous obtenir ?
Pour obtenir de l'énergie électrique nous devrons d' abord transformer notre puissance hydraulique en puissance mécanique sur l'arbre d'hélice, et ensuite en puissance électrique en utilisant un générateur. Les organes effectuant ces transformations n'etant pas parfaits, il provoqueront des pertes d'énergie.

hydrogenerateur

  • Le passage de l'énergie hydraulique à l'énergie mécanique détermine les organes de notre centrale hydraulique. Nous détaillerons plus loin la conception de ces organes. Le rendement de la turbine est le rapport entre l'énergie hydraulique captée et l'énergie mécanique transformée.
    • Rendement turbine = Puissance mécanique(w) / puissance hydraulique (w)

 

  • Le générateur effectue la conversion d'énergie mécanique en energie électrique (en watts).Le rendement du générateur est le rapport entre l'énergie mécanique sur son arbre et l'énergie électrique produite.
    • Rendement générateur = Puissance électrique délivrée(w) / Puissance mécanique(w)

 

  • Le rendement global du système est le rapport entre l'énergie hydraulique du site et l'énergie électrique fournie.
    • Rendement global = Puissance électrique délivrée(w) / puissance hydraulique (w)

 

Présentation rapide des 3 organes principaux du système de captage:.
Nous distinguerons donc 3 organes principaux: "Helice, Distributeur, Aspirateur" réalisant la transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique:
1: L'hélice, ou turbine: C'est la partie tournant sur l'arbre qui convertit l'énergie du fluide en énergie mécanique.

helice kaplan

L'hélice, grâce à la forme de ses pales, transforme l'énergie cinétique (énergie de vitesse) du courant de fluide en énergie mécanique. Si l'hélice captait toute l'énergie cinétique du fluide, le fluide n'aurait plus de vitesse en sortant de l'hélice. Ceci impliquerait que, privé de tous mouvements, le fluide s' accumulerait et boucherait la sortie de l'hélice. Il faut donc laisser un peu d'énergie de vitesse au fluide pour qu'il circule. Cette énergie laissée au fluide, limite donc le rendement a un maximum : la limite de Betz (voir théorie froude captage), soit un rendement maximum de 0.6. Ceci signifie que notre hélice ne pourra, dans le meilleur des cas, récupérer que 0.6 fois l'énergie du fluide, et ceci uniquement si l' orientation de ses pales forme un angle d'incidence optimum avec le fluide.

 

Pourtant on parle de turbines hydrauliques offrant des rendements avoisinant les 0.8 voir 0.9, alors d' ou vient cette différence? Le fait que le fluide soit en conduite, nous donne la possibilité de contrôler les vitesses, pressions et directions du fluide grâce à des organes qui récupèrent une partie de l'énergie que ne peut pas capter l' hélice, soit environ 0.4 fois l'énergie du fluide totale. Il faut distinguer le rendement de l'hélice seule (0.6 max), du rendement du système global "Distributeur + Helice + Aspirateur" qui peut atteindre 0.9

 

2:Le distributeur: C'est une couronne d' ailettes profilées mobiles, qui dirigent le fluide et contrôle sa mise en rotation (composante tangentielle de la vitesse du fluide) suivant son degré d' ouverture.Le distributeur peut aussi servir de vanne de régulation du débit.
Distributeurs des turbines bulbes:

Distributeurs des turbines bulbes

lele tourbillon genéré par le distributeur entraine augmente la vitesse de rotation de l'héliceLe distributeur permet de controler pécisément la vitesse de rotation du tourbillon et l'angle d'attaque des pales

Le distributeur de turbines Kaplan est généralement placé au centre d'une volute favorisant la formation du tourbillon et assurant la répartition régulière du débit tout autour du distributeur. Les ailettes du distributeur de type couronne (bulbes) assurent totalement la mise en rotation du flux alors que les distributeurs intégrés dans une volute complètent le travail de la volute qui met déjà le flux en rotation.La déviation provoquée par les ailettes est source de perte de charge, elle doit donc être minimum. Une forte déviation implique le choix d'un distributeur de type kaplan.

 

3: Le diffuseur ou aspirateur: Ce cône divergent génère une dépression en utilisant la vitesse restante en sortie d'hélice .Ce systeme de recuperation d'energie cinetique est detaillé, dans le chapitre "Conception du diffuseur"

diffusuer turbine helice kaplan

Suite: Apres cette brève présentation des organes principaux d'un turbine hydroélectrique, voyons comment dimensionner ces organes et évaluer les performances de notre site: méthode de calcul

 

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