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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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5. Emballement
Lors d'un déclenchement du groupe turboalternateur, la turbine s'emballe. L'emballement est un point d'équilibre stable où la puissance délivrée sur l'arbre turbine est égale à zéro et où la vitesse de rotation du groupe, pour une roue Francis, peut atteindre 1,5 à 2 fois la vitesse de rotation de synchronisme de l'alternateur. La vitesse d'emballement constitue une garantie du contrat, car elle conditionne le dimensionnement de l'alternateur. L'accroissement de la vitesse d'emballement produit une augmentation des contraintes sur le rotor de l'alternateur, ce qui renchérit le prix de la machine.
La vitesse d'emballement théorique stabilisé mesurée sur modèle dépend de l'ouverture du distributeur. L'ouverture de marche à vide est l'ouverture du distributeur qui correspond à la vitesse d'emballement égale à la vitesse de synchronisme de l'alternateur.
La figure 5 montre l'évolution de la valeur du débit réduit Q 11 et de l'ouverture a du distributeur en fonction de la vitesse d'emballement n 11,emb .
Les essais sont conduits hors cavitation et sous chute réduite pour ne pas détériorer le modèle réduit. Une mesure effectuée au sigma d'installation à l'ouverture nominale de la machine industrielle montre généralement que le σ p n'a pas d'influence significative sur la vitesse d'emballement.
La vitesse d'emballement prototype est calculée par la relation suivante :
Les pertes mécaniques et les pertes de ventellerie font que la vitesse d'emballement industrielle est légèrement inférieure à la valeur précédente.
Sur la machine industrielle, les survitesses et les surpressions instantanées que l'on rencontre dans un mouvement instationnaire dépendent de la géométrie de l'installation (conduites forcées,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PLUVIOSE (M.), PERILHON (C.) - Turbomachines. - [BM 4 280] Description. Principes de base (2002).
-
(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
ANNEXES
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