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Captage d'énergie hydraulique par turbine helice ou kaplan

Partie 2: La relation distributeur et helice

Le distributeur permet de controler pécisément la vitesse de rotation du tourbillon et l'angle d'attaque des pales

 
 

Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:

 

Revenons en détail sur le fonctionnement de l'hélice et du distributeur:

Une hélice ne peut capter que l'énergie cinétique du fluide et ne capte donc pas directement l'énergie potentielle de la hauteur de fluide. Notre énergie hydraulique étant composée d'énergie de hauteur et d'énergie cinétique, il nous faudra convertir l'énergie de hauteur en énergie cinétique avant de passer dans l'hélice.

 

C'est le rôle du distributeur qui utilise la pression générée par la hauteur pour contraindre le fluide à traverser ses ailettes orientées de manière à générer un tourbillon. L'énergie de hauteur est ainsi transformée en vitesse tangentielle.

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

 

Il convient de bien différencier deux composantes dans la vitesse du fluide traversant l'hélice: la vitesse axiale et la vitesse tangentielle:

  • La Vitesse axiale est la vitesse dans la direction parallèle a l'axe de la turbine. Le débit du système est donné par cette vitesse axiale multipliée par la section balayée par l'hélice, appelée aussi section turbinée. Capter l'énergie cinétique (de vitesse) d'un fluide consiste a prendre de sa vitesse, donc à le ralentir. Capter toute l'énergie cinétique du fluide impliquerait que, privé de tous mouvements, le fluide s' accumulerait et boucherait la sortie de l'hélice. Pour repousser ce bouchon, de l'énergie va donc être utilisée . Cette énergie laissée au fluide, limite donc le rendement à 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 cinétique de la vitesse axiale du fluide traversant. L'ecoulement axial sera ralentit mais non stoppé! Si notre vitesse est uniquement axiale, la limite de rendement de notre système serait de 0.6. (C'est la limite de rendement pour les éoliennes ou hydroliennes dont on ne peut pas contrôler les pressions en amont. )

Débit (m3/sec) = Vitesse axiale(m/sec) X section balayée par l'hélice(m²).

 

  • La Vitesse tangentielle est la vitesse de rotation du tourbillon engendrée par le distributeur (parfois combiné avec une volute)

Contrairement à la vitesse axiale, la vitesse tangentielle peut être totalement captée (arrêtée) sans que l' écoulement soit interrompu. Une vitesse tangentielle totalement captée devient donc nulle et amène a un écoulement général uniquement axial. Le distributeur convertit l'énergie potentielle de la hauteur en vitesse de rotation du tourbillon. La qualité du captage de l'énergie de vitesse tangentielle est optimum lorsque l' écoulement en sortie de notre hélice a perdu toute sa composante tangentielle. (plus de tourbillon)

Nous retiendrons que l'énergie de hauteur est transformée en vitesse tangentielle dont on peut capter la totalité de l'énergie et que le débit génère une vitesse axiale dont nous pourrons extraire que 60 % de l'énergie. Pour que notre système fournisse un rendement maximum il faudra transformer le plus possible d'énergie hydraulique en vitesse tangentielle, et que cette vitesse tangentielle soit totalement captée par l'hélice. La qualité de notre système tient donc dans la combinaison judicieuse de la vitesse tangentielle et du débit. Le débit et la hauteur captée, donc la vitesse tangentielle produite, évolue de manière irrégulière suivant les saisons et la météo. Si on ajoute à cela que la vitesse de rotation de notre générateur doit être régulière et constante, nous entrevoyons la difficulté à concevoir un système efficace.

Heureusement, pour palier à ces difficultés, des organes de réglages comme le distributeur avec ses ailettes et une hélice à pales orientables, permettent de contrôler la combinaison débit, vitesse tangentielle et vitesse de rotation de l'hélice de captage.

Le distributeur permet de controler pécisément la vitesse de rotation du tourbillon et l'angle d'attaque des palesDistributeurs des turbines bulbes

Bien que ces organes de réglages permettent de contrôler l' inclinaison des pales et la vitesse tangentielle, il faut tout de même calculer une inclinaison de pale et une vitesse tangentielle optimum pour une hauteur de charge et un débit de fonctionnement donné.

La méthode de conception de l'hélice de captage que nous allons proposer dans la suite de cet article, nous donnera les paramètres de vitesses tangentielles a créer avec le distributeur en fonction de l'hélice optimisée pour un débit donné. La charge, ou différence de pression provoquée par l'hélice nous donnera la hauteur de chute nécessaire au fonctionnement de notre turbine. Les vitesses axiales et tangentielles en sortie d'hélice pourrons être utilisées respectivement pour dimensionner le diffuseur et les sections de conduites et vérifier que l'énergie cinétique de la vitesse tangentielle a bien été captée en totalité.

Vidéo du Modèle 3 D d' hélice de captage dans le logiciel héliciel:

 

Pour faciliter ce travail de conception d'hélice nous utiliserons le logiciel HELICIEL, qui présente l' avantage de créer automatiquement le vrillage des pales optimum pour un point de fonctionnement donné.

La base de données de profils du logiciel HELICIEL nous permettra de concevoir un modèle 3D de pale au format igs suivant les profils choisis. Les dépressions calculées sur les pales seront comparées par le logiciel a la pression de cavitation en fonction de la profondeur de l'arbre d'hélice. Le but étant de faire une étude complète du système en parfaite autonomie, sans aborder de calculs complexes de mécanique des fluides. HELICIEL produira les formes 3D des pales de l'hélice que vous pourrez assembler dans l' ensemble mécanique. Un logiciel de dessin industriel du style autocad ou solidworks seront tout de même nécessaire pour la conception mécanique de l' ensemble dont les dimensions auront été déterminées.

Suite: La méthode de conception de l'hélice de captage

 

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