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

 

1: Puissance du site 2: Conception de l'hélice

 

1: Puissance du site: Dans ce didacticiel exemple, nous prendrons le cas de l' aménagement d'un site dont le débit moyen est de 12 m3/sec avec une hauteur de chute aménageable d' environ 4 mètres.

Évaluer la puissance d'un site non aménagé:

• Le débit sera mesuré d'apres la vitesse de l' écoulement et la section de passage de la rivière. (une page regroupant diverses méthodes de mesure de débit de rivière a été crée).Pour notre exemple le débit sera de 12 m3/sec.
• La hauteur de chute est crée par le barrage de retenue d' eau. Bien que les turbines type helice ou kaplan sont destinées aux faibles hauteur de chute, une hauteur minimum sera nécessaire pour équilibrer les pertes de charge et produire la pression nécessaire au fonctionnement du distributeur et a la traversée de l'hélice. Cette hauteur sera produite par le dénivelé entre la bassin amont et aval. l' ouvrage de génie civil sera donc composé d'un barrage de dérivation de faible hauteur pour les installations au fil de l'eau . Fait de béton, bois ou maçonnerie , les coûts du barrage peuvent à eux seuls rendre le projet non viable. La hauteur de chute brute a créer avec le barrage sera donnée par l' étude de l'hélice. Pour notre exemple la hauteur de chute brute aménageable est évaluée à 4 mètres.

La puissance hydraulique Ph en watts, du site dépend de:

• La différence de hauteur de chute H en mètres, entre les surfaces du bassin amont et aval.
• Le débit Q en m3/sec, traversant le système.

avec :

• ρ masse volumique de l'eau (1000 kg/m3)
• Section = section de passage du fluide (surface balayée par l'hélice) en m²
• g accélération de la pesanteur en (9.81 m/s²)
• Q débit turbiné en m3/s
• H chute en m

La puissance brute hydraulique de notre site peut donc être évaluée à : 12 X 4 X 9.81 X 1000 = 470 880 Watts soit 471 Kw environ. Nous verrons que du fait des pertes diverses, la puissance électrique produite sera plus faible. La division de la puissance produite par la puissance brute, nous donnera le rendement global de notre installation.

2: Conception de l'hélice.

Comme énoncé dans la méthode proposée, nous commencerons par calculer notre hélice optimum pour le débit de 8 m3/sec. Pour cela nous utilisons le logiciel HELICIEL afin d' obtenir les performances et les modèles 3D des pales que nous allons construire.

• Nous lançons Heliciel et ouvrons un nouveau projet type captage turbine:

• Sous l' onglet Donnée/Fluide, nous sélectionnons comme fluide, de l'eau (douce) à 10°:

• Sous l' onglet Géométrie pale, vérifiez que la loi de profil est bien "profil constant " et que le profil est "naca 1408". (sinon ajustez)

• Sous l' onglet Optimiser réglez le nombre de pales de notre hélice sur 4 .

• Sous l' onglet Donnée/Point de fonctionnement nous allons donner comme valeur de départ une vitesse (axiale) de 6m/sec, et une vitesse de rotation de 100 tours/minute. Nous ferons varier ces paramètres plus tard pour ajuster notre hélice.

• Sélectionnez l' onglet Géométrie pale/Dimensions pale pour entrer le rayon bout de pale et rayon pied de pale (diamètre de l'hélice et du moyeux): En faisant varier la section balayée nous allons contrôler la vitesse axiale pour le débit donné de 12 m/sec.

• Vitesse axiale(m/sec) = Débit (m3/sec) / section balayée par l'hélice(m²)

entrez ces paramètres de base:

• Rayon bout de pale=1000mm
• Rayon pied de pale= 60% (600mm)
• Corde pied de pale= 738 mm
• Corde bout de pale= 1138 mm
• Cliquez sur "linearisez" dans la zone distribution de cordes pour obtenir une pale droite.
• Dans cet exemple nous voulons une distribution de corde donnant une pale un peu bombée. Pour réaliser exactement la meme distribution que cet exemple, nous pouvons directement entrer l'équation de distribution de nos cordes dans les 3 champs prévus a cet effet .Notre équation est: -0.0031457 r² + 6.033248 r -1749.469 , entrez ces valeurs et cliquer sur "appliquer équation cordes".(Les valeurs de cordes et de l'équation peuvent etre légerement modifiées lors de l'application de l'équation)

Si précédemment vous avez bien entré la vitesse de 6 m/sec, Vous devriez obtenir un débit (en haut a gauche dans le compteur de vitesse) de 12.064.m3/sec comme ceci:

La modification de la vitesse ou de la longueur de pale, entraîne bien sur la modification du débit. Nous avons donc choisis des valeurs de vitesse et de longueur nous donnant le débit imposé de 12 m3/sec.

• Notre hélice de captage est entourée d'un carénage limitant les pertes en bout de pale. L'option "carenage de pale" doit donc etre cochée:

le fait de cocher l'option carenage relance le calcul de l'hélice...

• Sans plus attendre, sous l' onglet Optimiser, nous lançons une recherche de vitesse de rotation optimum:

Heliciel va construire le vrillage optimum et évaluer les performances de notre hélice, en fonction d'une série de vitesse de rotations testées et s'arretera sur la vitesse de rotation optimum, ici nous avons obtenu un rendement d'hélice de 0.47 à 53.19 tours minutes:

Le vrillage optimum adapté à ce point de fonctionnement et le modèle 3D de notre hélice à été construit. Notre rendement pourrait etre amélioré par une modification des largeurs et repartition de cordes, afin de s'approcher de la limite de Betz, mais 0.47 suffira dans ce didacticiel qui tente de rester simple et rapide.

Nous pourrions lancer la fabrication de la pale en éditant le fichier IGS 3D... mais des optimisations vont suivre, comme l'introduction d'une vitesse tangentielle par le distributeur, et la création d'une dépression par l'aspirateur diffuseur...

Prenez soin d' enregistrer votre projet , menu Fichier / enregistrer, car nous y reviendrons plus tard. Nous allons maintenant utiliser les résultats de cette configuration d'hélice pour la suite:

Evaluer l'effet d'une introduction tangentielle en amont de l' hélice provoquée par un distributeur(ou /et une volute)

 

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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