géométrie du distributeur turbine helice ou kaplan:

Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:

• captage energie hydraulique turbine kaplan 1/3 :Présentation des organes
• captage energie hydraulique turbine kaplan 2/3 :Relation distributeur helice
• captage energie hydraulique turbine kaplan 3/3 :Méthode conception
• Didacticiel conception turbine 1/3 :Puissance du site et conception helice
• Didacticiel conception turbine 2/3 :Conception du distributeur ou stator
• Didacticiel conception turbine 3/3 :Choix des sections, conception aspirateur

distributeur axial

Nous allons concevoir ici le distributeur destiné à convertir une partie de la hauteur de charge en rotation du flux en amont de l'hélice.Ceci aura pour effet de modifier les angles d'entrée dans l'hélice et la vitesse réelle captée par les pales. Cette mise en rotation en amont de l'hélice permet aussi de compenser la mise en rotation(induction tangentielle) provoquée par réaction au couple de l'hélice.

• Effets de la Vitesse tangentielle en amont
• Angles des ailettes du distributeur et déviation du flux
• conception du distributeur et évaluation des Pertes de charge du distributeur

 

Effets de la Vitesse tangentielle en introduite en amont de l'hélice :

Un distributeur ou stator placé en amont de l'hélice produit une vitesse tangentielle (tourbillon) de direction opposée à la vitesse tangentielle induite par l'hélice. La vitesse tangentielle induite par l'hélice sera ainsi récupérée. Une augmentation de vitesse traversant l'hélice pourra être réalisé sans modifier le débit, de manière à utiliser l'énergie de hauteur de charge en la convertissant en vitesse tangentielle. Le réglage de l'angle des ailettes du distributeur permettra d' ajuster la vitesse tangentielle.

 

Reprenons notre turbine déssinée dans le Didacticiel conception turbine 1/3 ,actualisée au point de design à la vitesse de 53.2 rpm .Dans la zone des résultats du logiciel HELICIEL, sélectionnez l' onglet "vitesses fluides", et sur le graphique des vitesses aval tangentielles, laissez votre pointeur au niveau de l' élément produisant le plus de vitesse tangentielle (element4) pour faire apparaître l'info bulle donnant la valeur en radian/seconde.

Dans notre exemple la vitesse induite tangentielle en aval de l'hélice est d' environs 4.4rad/sec au niveau de l'élément 4 , nous introduirons donc une vitesse tengentielle de 4.4 rad/sec avec notre distributeur. Pour cela utilisez le menu paramètre/introduire une vitesse tangentielle, et entrez 4.4 rad/sec :

Relancez la recherche de vitesse de rotation optimum (onglet3Optimiser) pour rechercher la vitesse de rotation optimum et actualiser l'hélice dans sa meilleur configuration:

Plusieurs points importants sont a noter dans cette configuration ci dessus:

• Zone de calculs non convergents: Certaines conditions de vitesses et d'incidences engendrent des vitesses axiales négatives sur certains éléments, qui se traduiraient par un retour en arriere du fluide et des fortes turbulences degradant les conditions d'ecoulement autour des profils. Heliciel considere ces zones de resultats trop incertaines, comme nulles en terme de performances pour les éléments perturbés. Dans le graph ceci se traduit par une discontinuité dans le rendement en fonction de la vitesse de rotation.

 

• La limite de Betz semble dépassée
• mais c'est une illusion du au fait qu'elle est basée uniquement sur le flux axial, sans integrer l'apport du flux tangentiel. Le flux tangentiel introduit en amont nous procure donc une puissance supplémentaire, nous pourrions augmenter cette puissance en augmentant le flux tangentiel mais ceci se traduira par une augmentation de la perte de charge dans le distributeur / stator qui devra augmenter son angle de déviation du flux.
• Nous pouvons aussi estimer la vitesse tangentielle en aval de la turbine, la moyenne des vitesses tangentielles doit etre aussi proche possible de zero pour representer un redressement du flux et l'annulation des pertes en aval. si la vitesse tangentielle introduite dans l'hélice est supérieur à la vitesse tangentielle produite par l'hélice, le flux aura une vitesse tangentielle non nulle en aval. Ce qui est une energie perdue.

Angles des ailettes du distributeur et déviation du flux:

Nous pouvons aisément estimer l'angle des ailettes du distributeur en utilisant la vitesse axiale et la vitesse tangentielle a produire.

• Vitesse tangentielle: La vitesse tangentielle(m/sec) a produire est calculée grâce a la vitesse en radian seconde:
  • Vitesse tangentielle (m/sec) = vitesse angulaire (rad/sec) x rayon bout de pale (m) donc pour notre exemple:
  • Vitesse tangentielle (m/sec) = 4.4(rad/sec) x 1(m) = 4.4m/sec

distributeur kaplan:

distributeur bulbe:

La vitesse axiale est donnée par le débit / section passante. Nous estimerons dans notre exemple que la section passante du distributeur est égale a la section balayée par l'hélice(2.01m² pour notre exemple), mais ceci n'est pas toujours le cas car il peut être utile d'avoir une faible vitesse dans le distributeur de manière à minimiser les pertes de charge et les angles de déviation des ailette s.

• Vitesse axiale =(Qv / section passante du distributeur) =(12 /2.01)= 6 m/sec
• Angle des ailettes:
  1. Pour un distributeur en couronne de type Kaplan (avec volute):
     • Tangente (Angle ailettes) = Vitesse axiale / Vitesse tangentielle
     • =>Angle ailettes = Atan( Vitesse axiale / Vitesse tangentielle )
     • =>Angle ailettes = Atan(6 / 4.4) = 53.7 °
  2. Pour un distributeur en anneau de type bulbe:
     • Tangente (Angle ailettes) = Vitesse tangentielle / Vitesse axiale
     • =>Angle ailettes = Atan( Vitesse tangentielle /Vitesse axiale )
     • =>Angle ailettes = Atan(4.4 / 6 ) = 36.2 °

  avec: Qv = débit volumique traversant la centrale en m3/sec, section en m² et vitesses en m/sec

 

Conception du distributeur et évaluation des perte de charge:

Les pertes de charges dans la grille de distributeur sont liées a l'angle de déviation subit par le fluide. Pour les distributeurs en anneaux de type bulbes, l'angle de déviation est directement celui de l' ailette. Dans les systèmes type kaplan, la volute donne au fluide une trajectoire tangentielle. L' angle de déviation du fluide sera, donc lui aussi , égal à l'angle des ailettes. Un faible angle d' ailettes induit une faible perte de charge, un angle d' ailette a 90° induit une perte de charge maximum. La volute permet donc de générer des vitesses tangentielles importantes sans induire de forte pertes de charge par déviation du fluide dans la grille d' ailettes. Notons qu' un distributeur de type bulbe aura un faible angle de déviation pour une vitesse axiale supérieur a la vitesse tangentielle. Un distributeur type kaplan, de fait de la volute, aura au contraire un faible angle de déviation pour une vitesse tangentielle élevée. Ceci prédispose les distributeurs + volute, à des centrales dont la hauteur de charge (transformée en vitesse tangentielle) est plus importante et les systèmes a bulbes à des débit élevés et basse chutes. La volute sera dimensionnée de manière a conserver une vitesse constante tout autour du distributeur. Sa section devra donc diminuer pour tenir compte du volume de fluide écoulée dans les portions amont:

• Conception d'un distributeur de type anneau ou d' un stator:

Un distributeur de type anneau , c'est une hélice qui ne tourne pas (stator). Nous allons donc utiliser Héliciel pour calculer le delta de pression entre l' amont et l' aval d'une helice de propulsion avec une vitesse de rotation quasi-nulle, et un nombre de pale correspondant au nombre d' ailettes de notre distributeur. Cette helice devra génerer une vitesse tangentielle en aval d'environ 4.4 rad/sec. Nous pourrons même, si nous le désirons, exporter le fichier igs 3D des pales du stator/distributeur vers une CAO pour les réaliser.

Apres avoir bien enregistré notre turbine (menu fichier/enregistrer), nous allons la transformer en stator distributeur de type anneau pas a pas:

• ATTENTION!! : Onglet 1.2Objectif, cocher Helice propulsive
• onglet 3.optimiser/nombre de pale modifiier nombre de pales de 4 à 12

• La géométrie sera retouchée en diminuant les largeurs de cordes en pied et bout de pale de manière à minimiser les frottements et la perte de charge. Nous passerons donc à une largeur de corde en pied de pale de 311 mm et même chose en bout de pale (pensez à linéariser la distribution de corde). Nous conserverons les rayons en bout et pied de pale de 1000 et 600 mm.

• Nous allons selectionner un autre profil, plus cambré generant plus de portance, pour notre stator, le naca 6412. Pour cela direction la base de données et appliquons le naca 6412 comme profil par defaut:
• Nous gardons la vitesse de 6 m/sec et comme nous n' avons pas touché aux rayons pied et bout de pale, la section passante reste la même que la turbine (nous négligerons l'épaisseur des profils) et le débit est donc toujours de 12 m3/sec.
• Ceci combiné avec une vitesse de rotation (onglet Données Projet/Point de fonctionnement) de 0.1 tours/minute pour simuler une rotation nulle (une vitesse de rotation nulle provoque des erreurs dans les équations)

• Dans le menu paramètres, nous supprimons le flux tangentiel en le reglant sur 0

Voila les paramètres de notre stator sont entrés il ne reste plus qu 'a lancer la reconstruction : Notre modèle 3D de stator/distributeur anneau est créé :

Quelques alarmes nous informent que notre helice de propulsion ne produit pas de poussée, mais c'est normal pour un stator avec une rotation quasi-nulle. Ce qui nous interresse, c'est produire une vitesse tangentielle avale d'environ 4.4 rad sec. Pour cela nous allons forcer les incidences des profils à leur incidence procurant la portance max, car c'est cette incidence qui genere le plus d'induction tangentielle. Le profil evolue a un Reynolds d'environ 1 000 000 dans ce projet (voir images profils dans l'onglet prototype 3D apres selection d'un élément). Nous allons donc lire la courbe Cz (coefficient de portance) dans la base de données pour le naca 6412 au Re 1 000 000 : et en déduire que l'angle d'incidence génerant la plus de Cz(portance) donc le plus de force tangentielle , est de 16 degrés pour le naca 6412 au Re 1 000 000. Nous allons donc forcer les incidences à 16 degrés en utilisant le menu "parametre/gerer les forcages incidences:

et appliquer l'incidence de 16 degrés a tous les profils:

Notre stator est reconstruit avec des profils dont l'incidence est forcée a 16 degrés. 2 Resultats retiennent notre attention:

1. La vitesses tangentielle en sortie de stator
2. et la perte de pression lorsque le fluide traverse le stator:

La vitesse tangentielle produite est d'environ 4 rad/sec et le perte de charge de 0.07 bars soit environ 0.7 metre. Nous avons terminé pour le calcul de notre stator distributeur de type anneau, voyons maintenant une autre approche avec ...

• Conception d'un distributeur de type couronne Kaplan(avec volute):

Le calcul des pertes de charge dans le distributeur couronne+volute de type Kaplan sera effectué avec MECAFLUX. Nous devons pour cela connaître La vitesse du fluide traversant le distributeur et la surface totale du distributeur.

La vitesse traversant le distributeur est (d'apres pythagore.) = √ ( (Vitesse axiale) ² + Vitesse tangentielle²) = √ ((5.97)²+4²) =√ (35.64+16) = 7.18 m/sec (nous arrondissons la vitesse tengentielle de 4.4 à 4)

surface distributeur = surface balayée = 2.01 m²

Nous utiliserons Mecaflux pour calculer rapidement et simplement l' ensemble des pertes de hauteur de charge afin de vérifier si notre hauteur brute sera suffisante. Dans l' onglet pertes de charge singulières du logiciel Mecaflux, catégorie"éléments divers", nous trouvons "grille de profils" (sinon télécharger la mise a jour gratuite sur https://www.mecaflux.com/suite) :

Pour calculer la perte de charge il nous est demandé de rentrer:

• section de référence == 2.01 m²
• vitesse de référence = 7.18 m/sec
• Angle de déviation = angle ailettes = 63°(mecaflux nous propose 50 ou 60 degrés)
• rapport espace/pas:
  • rapport espace/pas: mecaflux est généralement utilisé pour des grilles avec de nombreuses ailettes, dans notre cas les épaisseurs des ailettes ne couvrent qu 'une faible surface, nous rentrerons donc la valeur max proposée par mecaflux:0.85

Cliquer sur calculer la perte de charge avec 60 °:

Ceci nous donne une perte de 3.9 mètres. Notre distributeur consommera une hauteur de charge de 3.9mètres. Du fait de l'angle de déviation élevé la perte de charge est très importante , ce distributeur n'est pas adapté a notre exemple (qui est équipé d'un distributeur en anneau de type bulbe).

 

Résumé:Nous avons vu comment le distributeur nous permet de transformer une partie de la hauteur de charge en energie cinétique en mettant en rotation le flux en amont de l'hélice .Cette mise en rotation génère une augmentation de vitesse à travers les pales et des angles d'attaque des pales plus favorable à la transformation en couple. Une vitesse tangentielle bien ajustée en amont doit équilibrer la vitesse tangentielle produite par l'hélice. Cet équilibre est vérifié par l' absence de rotation du flux en aval de l'hélice. Le concepteur du distributeur trouvera un compromis entre perte de charge provoqué par l'angle de déviation et rapport vitesse axiale et tangentielle a produire. Le choix de la section de passage du distributeur permet au concepteur de contrôler le rapport entre la vitesse axiale et la vitesse tangentielle, donc l'angle de déviation a créer pour une mise en rotation maximum du flux amont. Un autre élément permet d' augmenter la puissance de l'hélice: le diffuseur ou aspirateur.

Suite: dimensionnement des sections de passage et rôle du diffuseur ou aspirateur.

 

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• captage energie hydraulique turbine kaplan 2/3 :Relation distributeur helice
• captage energie hydraulique turbine kaplan 3/3 :Méthode conception
• Didacticiel conception turbine 1/3 :Puissance du site et conception helice
• Didacticiel conception turbine 2/3 :Conception du distributeur ou stator
• Didacticiel conception turbine 3/3 :Choix des sections, conception aspirateur