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RÉSUMÉ
Cet article examine les aspects hydrauliques du fonctionnement de la turbomachine. Les calculs d'écoulements tridimensionnels en fluide visqueux dans les turbomachines ont fait de grands progrès ces dernières années. Cependant, le calcul ne suffit pas pour aborder la nature tridimensionnelle, instationnaire et visqueuse de l'écoulement. Ainsi, le modèle réduit reste encore le seul moyen utilisé pour la vérification des performances relatives à la puissance, le rendement ou la cavitation de la machine prototype. Sont abordés le calcul du rendement et de la puissance délivrée par la roue, l’étude du comportement à la cavitation des aubes de la roue et la prévision des instabilités de l'écoulement dans la machine industrielle. Pour finir, est présenté un exemple de fissuration sur une roue d’une centrale de basse chute.
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Louis Raphaël EREMEEF : Ancien ingénieur expert au centre de technologie de la société Alstom power hydro
INTRODUCTION
Dans cet article, nous n'examinerons que les aspects hydrauliques du fonctionnement de la turbomachine. D'autres aspects concernant la mécanique ou la régulation ont déjà été abordés dans certains articles de la collection [B 4 405] par exemple, cf. [Doc. BM 4 406v2]. La nature tridimensionnelle, instationnaire et visqueuse de l'écoulement ne peut être abordée uniquement par le calcul. De nombreux essais sur modèle réduit sont nécessaires pour connaître au mieux les phénomènes hydrauliques mis en jeu dans la machine prototype. Nous passerons successivement en revue les points suivants :
-
calcul du rendement et de la puissance délivrée par la roue ;
-
étude du comportement à la cavitation des aubes de la roue ;
-
prévision des instabilités de l'écoulement dans la machine industrielle.
Un exemple de fissuration rencontrée sur une roue d'une centrale de basse chute montrera que les problèmes industriels restent encore d'actualité.
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- Version archivée 1 de avr. 2005 par Louis Raphaël EREMEEF
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1. Contexte
La roue d'une machine hydraulique est toujours conçue spécialement pour l'aménagement auquel elle est destinée car c'est l'élément qui le premier transforme l'énergie hydraulique en énergie mécanique sur l'arbre de la turbine.
Chaque site présente des caractéristiques qui lui sont propres en ce qui concerne l'énergie disponible E, ou chute nette H ≥ E/g, et le débit exploitable. Cette diversité conduit à développer des tracés de roue différents pour chaque aménagement et c'est en ce sens que l'on parle de roue prototype pour la machine industrielle parce qu'en général cette roue sera le spécimen unique adapté au site considéré.
Le terme de « chute » est encore très utilisé dans le langage courant. Sur prototype, la chute varie entre une valeur maximale et une valeur minimale en passant par une chute que l'on rencontre le plus fréquemment appelée « chute nominale ». Sous la chute nominale, on définit la puissance nominale (respectivement le débit nominal) qui est la puissance maximale délivrée par la turbine. Dans ce cas précis, on parle aussi de puissance dix dixième ou de puissance de pleine charge.
Pour illustrer notre propos, nous avons choisi de prendre comme exemple une turbine Francis, machine très répandue dans le monde, qui peut fonctionner dans des gammes de chutes très étendues (quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres). La centrale hydraulique retenue est la centrale de Chute des Passes située dans la province du Québec. Elle est équipée de plusieurs roues de 3,556 m de diamètre de sortie fonctionnant sous une chute nominale de 174 m. La variation de chute ou marnage est de 24 m (avec une chute maximale de 185 m et une chute minimale de 161 m).
À l'occasion de la réhabilitation de la centrale, un nouveau tracé de roue a été développé par la société Alstom Grenoble et a fait l'objet d'un essai préliminaire sur modèle réduit à l'institut de machines hydrauliques et de mécanique des fluides de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne pour le compte de la société Sécal. Les illustrations de cet article sont issues du rapport d'essai rédigé par la société Alstom avec les résultats obtenus au laboratoire d'hydraulique de Lausanne.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PLUVIOSE (M.), PERILHON (C.) - Turbomachines. - [BM 4 280] Description. Principes de base (2002).
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(2) - PLUVIOSE (M.), PERILHON (C.) - Turbomachines. - [BM 4 281] Mécanismes de la conversion d'énergie (2002).
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(3) - PLUVIOSE (M.), PERILHON (C.) - Turbomachines. - [BM 4 282] Thermodynamique de la conversion d'énergie (2003).
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(4) - PLUVIOSE (M.), PERILHON (C.) - Turbomachines. - [BM 4 283] Bilan énergétique et applications (2003).
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(5) - PLUVIOSE (M.) - * - [BM 4 285] Similitude des turbomachines hydrauliques (2004).
-
(6) - MEGNINT (L.), VERDURAND (G.), REY (R.) - Turbines hydrauliques. - [BM 4 405] Description et fonctionnement (2008).
NORMES
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Turbines hydrauliques, pompes d'accumulation et pompes-turbines – Essais de réception sur modèle - CEI 60193:1999 - 1999
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