Aide Heliciel — Hydro Turbine design

L'organe de réglage

Les directrices règlent le débit et donnent à l'eau la rotation dont la roue a besoin. Leur géométrie se règle dans l'onglet Distributeur.

Distributeur de turbine Kaplan : directrices, hauteur b0 et pertes

Le distributeur est l'organe de réglage de la turbine : ses directrices orientables règlent le débit et donnent à l'eau sa composante tangentielle, que la roue convertit en couple. L'onglet Distributeur en porte toute la géométrie, ainsi que le diamètre de roue, puisque la sortie du distributeur est l'entrée de la roue.

Dans Heliciel
Onglet Distributeur du panneau de gauche. L'ouverture des directrices se règle dans le panneau de commandes. Chaque bloc expliqué ici porte dans la fenêtre un picto ? : un clic sur ce picto ouvre directement la section correspondante de cette page.

Au sommaire :

Diamètre de roue D : la sortie du distributeur
Cercle des axes des directrices
b0 : hauteur des directrices du distributeur
Profil des directrices : nombre, profil NACA et corde
Pertes de charge du distributeur : quatre termes d'Idel'cik

Diamètre de roue D : la sortie du distributeur

Mode d'emploi

Choisir la source du diamètre : ESHA, D1 statistique Kaplan ou Saisie.
Contrôler le diamètre dans la vue 3D cotée.
Relancer un solveur : la roue est recalculée avec ce diamètre.

Dans cette fenêtre, le diamètre de sortie du distributeur est le diamètre de roue. Trois sources :

ESHA : D = 84,5·(0,79 + 1,602·NQe)·√H / N, d'après le guide de la petite hydroélectricité de l'ESHA ;
D1 statistique Kaplan : D1 = 60·U1 / (π·N), avec U1 = ξ1·√(2·g·Hn), ξ1 étant lu sur la courbe statistique pour la vitesse spécifique courante ;
Saisie.

D fixe la vitesse axiale dans la roue (débit divisé par l'anneau balayé) et, avec le régime, la vitesse en bout de pale.

Exemple

Coupe verticale cotée en 3D : diamètre de roue, moyeu, hauteur b0, cercle des axes et hauteur H2.

Cercle des axes des directrices

Mode d'emploi

Garder la valeur par défaut (1,2 × D) pour commencer.
En saisie, vérifier dans la vue de dessus que les directrices ne touchent pas la roue.

C'est le diamètre du cercle sur lequel pivotent les directrices mobiles, en position d'ouverture optimale. Par défaut : 1,2 × D.

Saisi trop petit, il place les directrices dans la roue ou étrangle le passage : la vitesse au col augmente fortement, et les pertes avec elle. Le Solveur 2 peut l'agrandir de lui-même quand l'ouverture par l'équation d'Euler est inatteignable.

Exemple

Vue de dessus avec le passage des directrices et la sortie du distributeur : le cercle des axes fixe la place des aubes autour de la roue.

b0 : hauteur des directrices du distributeur

Mode d'emploi

Choisir b0 statistique Kaplan ou Saisie, ou égaliser les sections depuis le panneau de commandes.
Contrôler la hauteur du passage dans la coupe 3D cotée.

b0 est la hauteur du passage sous les directrices. Trois sources : saisie, b0 statistique Kaplan (rapport b0/D1 lu sur la courbe de similitude), ou égalisation des sections par le bouton du panneau de commandes : b0·π·D = π·(D² − d²)/4.

Un b0 trop faible accélère l'eau dans le distributeur ; trop fort, il la ralentit avant de la réaccélérer dans la roue. Les deux coûtent de la chute.

Exemple

Gros plan sur le distributeur en coupe cotée : la hauteur b0 des directrices au-dessus de la roue.

Profil des directrices : nombre, profil NACA et corde

Mode d'emploi

Régler le nombre de directrices.
Régler l'épaisseur, la cambrure et la position de cambrure : le nom NACA s'affiche dans le titre.
Vérifier dans la vue de dessus que la cambrure suit la trajectoire du tourbillon (pointillés).

Nombre de directrices ;
Épaisseur (% de corde), cambrure et position de cambrure : trois curseurs qui composent un profil NACA à quatre chiffres, dont le nom s'affiche dans le titre du bloc ;
Corde du profil (mm) : 1,1 fois le côté du polygone que forment les axes des directrices sur leur cercle. Elle dépend donc du nombre de directrices et du cercle des axes.

Dans la vue de dessus, les pointillés montrent la trajectoire naturelle du tourbillon : une directrice bien cambrée suit cette trajectoire au lieu de la heurter.

Exemple

Les directrices en 3D : profil NACA, nombre d'aubes et corde.

Pertes de charge du distributeur : quatre termes d'Idel'cik

Mode d'emploi

Lire les quatre pertes au bas de l'onglet.
Repérer la plus forte et agir sur le réglage correspondant (orientation, b0, cercle des axes).
Comparer le total aux autres pertes dans le graphique des hauteurs.

Le distributeur est compté en quatre pertes, d'après Idel'cik, affichées au bas de l'onglet :

angle d'attaque à l'entrée : écart entre la direction du flux et celle des directrices ;
rétrécissement du passage entre directrices ;
élargissement en sortie ;
coude de sortie : passage du flux radial au flux axial vers la roue ;

puis leur total. Ce total entre dans les pertes du parcours, tracées dans l'onglet Résultats. La déviation imposée par les directrices crée le tourbillon que la roue récupère : sa perte est donc déjà comptée dans la hauteur nette Hn.

Exemple

Le graphique des hauteurs : la perte du distributeur parmi les pertes du parcours.

Pour aller plus loin

La page de référence Hydro Turbine design présente la méthode complète et un cas d'étude chiffré. Les autres pages d'aide de la fenêtre :