Modéliser une turbine hydroélectrique : exporter la turbine Heliciel vers Mecaflux Pro3D

Le débit d'une installation hydroélectrique dépend du calage des pales de la turbine et de sa vitesse de rotation. Cet outil exporte votre turbine sous la forme d'un élément singulier de Mecaflux Pro3D : une perte de charge dont le coefficient varie avec le régime et le calage. Inséré dans un réseau gravitaire modélisé avec Pro3D, cet élément permet de simuler l'écoulement qui traverse la turbine et d'observer le débit résultant des réglages de calage et de vitesse de rotation.

• Déroulé :

1. Ce que contient l'élément exporté
2. La plage d'utilisation balayée
3. Étape 1 : calculer les coefficients de perte de charge
4. Étape 2 : la surface B-spline et l'export .elsin
5. Variante : exporter un stator ou une pompe
6. Dans Mecaflux Pro3D

1 : Ce que contient l'élément exporté

Pour chaque point de fonctionnement testé, Heliciel calcule la turbine hors design puis relève son coefficient de perte de charge : le rapport entre la différence de pression amont-aval créée par la roue et la pression dynamique amont. C'est la grandeur que Mecaflux Pro3D attend d'un élément singulier. L'élément exporté porte ce coefficient sous la forme d'une fonction de deux variables, rotation_rpm et calage_deg, avec leurs bornes, et le diamètre d'entrée de la turbine (le diamètre de la roue).

L'entrée de menu, sous Fichier

2 : La plage d'utilisation balayée

À l'ouverture, la fenêtre rétablit le point de design du projet et propose un nom de référence construit à partir de la turbine : nombre de pales, rayons de bout et de pied de pale, régime et débit nominal (Turbine_B4_R1000mm_r600mm_53rpm_43200m3h par exemple). La plage balayée est centrée sur le point de fonctionnement :

• 5 régimes, répartis de part et d'autre du régime nominal par pas d'un cinquième de ce régime (soit de 0,6 à 1,4 fois le régime nominal) ;
• 5 calages, de −20° à +20° autour du calage nominal en bout de pale, par pas de 10°.

Soit 25 points de fonctionnement. Les bornes sont affichées dans la fenêtre (régime mini et maxi, calage mini et maxi, débit nominal en m³/h) avant de lancer le calcul.

La plage d'utilisation, avant calcul

3 : Étape 1 : calculer les coefficients de perte de charge

Le bouton Calculer coefficients pertes charge de la plage utilisation enchaîne les 25 calculs : pour chaque régime, Heliciel actualise les performances hors design, puis fait varier le calage par le variateur de pas de la vue 3D et relit le coefficient à chaque pas. La progression s'affiche (test n/25, régime et calage en cours) et la liste des coefficients se remplit au fur et à mesure. Le temps de calcul est celui de 25 calculs hors design.

Les coefficients relevés, régime par régime

4 : Étape 2 : la surface B-spline et l'export .elsin

Les 25 coefficients sont interpolés par une surface B-spline en fonction du régime et du calage : c'est elle que Pro3D interrogera entre les points calculés. Le bouton Voir la B-spline surface l'affiche pour contrôle. Le bouton Exporter pour Mecaflux Pro3D format .elsin demande le nom de l'élément et l'enregistre dans la bibliothèque de Pro3D : Documents Mecaflux Pro3D\bibliotheque\singuliers\turbines. Si ce dossier n'existe pas sur le poste, le fichier est déposé sur le bureau et un message l'indique, pour une insertion manuelle.

La surface B-spline du coefficient

5 : Variante : exporter un stator ou une pompe

Le même menu propose Exporter Stator (hélice 0.01 rpm) pour Mecaflux Pro3D et Exporter Pompe pour Mecaflux Pro3D, pour des projets d'hélice de propulsion carénée. Un stator est une hélice qui ne tourne pas : le régime est fixé à 0,01 tr/min pour simuler une rotation nulle, et la plage balayée se réduit à 7 calages, de −30° à +30° par pas de 10°. C'est ainsi que l'on exporte un distributeur à ailettes fixes ou une grille redresseuse vers un réseau Pro3D.

6 : Dans Mecaflux Pro3D

L'élément .elsin apparaît dans la bibliothèque des éléments singuliers de Pro3D, catégorie turbines. Inséré dans un réseau gravitaire entre le réservoir amont et le bassin aval, il reçoit le débit que le réseau lui impose et y oppose la perte de charge de la roue à ses variables rotation_rpm et calage_deg. Faire varier ces deux variables, c'est lire le débit de l'installation pour chaque réglage de la turbine.

Pour dimensionner l'ouvrage complet autour de la roue — volute, distributeur, aspirateur, ligne piézométrique — voyez Hydro Turbine design ; pour la conception de la roue elle-même, les pages turbine hydraulique et le didacticiel micro-turbine Kaplan.