th semaine 3

EPFL Année 2002-2003 Section de Génie Mécanique

TURBOMACHINES HYDRAULIQUES

J.L. KUENY EPFL/LMH - Prof. INPG

Programme

1 Présentation du cours, rappels et généralités pompes 2 Les équations des turbomachines hydrauliques Prof. F. AVELLAN 3 Applications et généralités turbines 4 La cavitations + démonstration tunnel de cavitation Doc. M. FARHAT, LMH 5 Applications + démonstration plate-forme d’essais de turbine 6 La similitude des turbomachines incompressibles 7 Applications 8 Machines et circuits _ Ecoulements transitoires Prof. F. AVELLAN 9 CFD dans les turbomachines et design turbines 10 Application + BE design 11 Conception des pompes Doc. J.N. FAVRE, pompes EGGER (15-01-03) 12 Pompes à 2 phases J. GÜLICH, SULZER Pumpen (22-01-03) 13 Les turbines PELTON G. VUILLOUD, VA-TECH hydro (29-01-03) 14 Visite

Turbomachines Hydrauliques

3.1 Echanges énergétique dans une turbomachine Triangles de vitesse – Relation d’EULER -applications

Arête HP méridienne : 1 Arête BP méridienne : 1

mr

L

Plan ″méridien″

2

0

12 r U z U mC cd C u C v C k C v C m

π

θπ

= = + + = +∫ur r r r r r ur

Cm est la composante "débitante" de la vitesse, en effet si L est ⊥ aux lignes de courant :

2

0

1 2mC c m

π

θπ

= ⋅∫ dr uur

et ∫∫ ΛΛ=⋅= dsCdsmCQ m

rr

Composition des vitesses : UWCrrr

+=

WC

UCu

Cm β α

2


Pompe axiale

3


Incidence à débit partiel

Triangle des vitesses ″Turbine″

4


Relation d’EULER

théorème du moment de quantité de mouvement:

ddt

Moment de qdm des couples appliqués sur le fluide( ) = Σ

Estimation de ddt : ( )Moment de qdm

dtdQdtCSdm 111111 ρρ ==

1 1 1 qdm dQ dt Cρ→

− > ⋅

moment de qdm : r ⋅ ⋅Finalement :

1 1 1 1 1 1( ) UsurU

S dt proj V dQ rV dtρ ρ→

→= ⋅ ⋅

1 11 11 11 1 ( ) ( )( ) U U U Ud dmMoment de qdm rC rC m rC rCdt dt

= ⋅ − = ⋅ −&

5


Sur un ensemble de lignes de courant : ( ) ( )1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

( ) U US S

d Moment de qdm rc c n ds r c c n dsdt

ρ ρ⋅ ⋅= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅∫ ∫uur urr ru

dd

L

O

Ensemble des tubes de courant qui traversent la roue

�

��

��

��

��

��

�

( ) ( )dsnCCrdsnCCrCUCUmqdmdeMomentt S

US

UUU ∫∫ ⋅⋅⋅−⋅⋅=−⋅= ⋅

1

111 111

1111111 )ˆˆˆˆ( )( rrrr& ρρ

)1

ˆ,ˆ,,ˆ111 UU CUCUDéfinition de :

( ) ).( 11 UCUCmTP iim

))))& −==ω

es forces extérieures appliquées au système : *les forces volumiques sur le fluide (poids,…): couple nul *les forces de pression : couple nul *frottements visqueux ou turbulent sur sections 1 et 1-

suffisamment éloignées de la roue : couple négligeable. *forces frottement des tubes supérieures et inférieures sur

le tube : TSI *l’action des efforts des aubes sur le fluide

(portance et traînée des aubes) : TA n pose : Ti = TA+ TSI = couple appliqué par la roue au fluide

( ) )/(11 kgJUCUCmPE imi ))))

& −==⇒

6


TΣ

Secti

)rTΣ ( 1

on

Th

T⇒

considTi( ) 1r

( )1rm&

Fina( )1rEi =

Représentation ″aube-à-

( )2

1 11 1 10

( )U Ur dr rc rc m dθ π

θ

θ=

=

= − ⋅ ⋅∫ &

1 Section

1 on

).()ˆˆ.( 11111 CurCurmuCruCrm −=−= && 111

Pose :

éorème de la moyenne :

uCCu ˆ=

( ) ).( 11111 CurCurmri −= &

couple appliqué par la roue au fluide si onère l’ensemble des tubes aube-à-aube qui

r1

1Débit masse passant dans le tube decourant

r

lement : (J/kg) )(. 11111 CuUCuUrHig −=

7


Remarque : Relation d’EULER valablepour

fluide parfait, réel, compressible, incompressible

Fluide parfait par calcul EULER => EE Rendement hydraulique ″interne″ de

la roue : η i

gHgHE

iTurbine=η

EEi gH

gHEE

Pompe==η

Si le nombre d'aubes est ∞ , l'angle dufluide correspond exactement à l'angledu squelette des aubes : Eth∞ . L'écartentre Eth∞ et EE correspond à une

8


W

L’én

Par ide

Interprétation énergétique de la relation

W C

U C u

C mβ α

UVVU 2²² −+=α UUVVU cos2²²² −+=

²)²²(21 WUCUCU −+==>

11112iTi ρ

ergie échangée avec la roue l’est sous forme de couple mécanique, => EULER :

(1) (2) (3)

On a donc ETi = Ei+ ∆ξi .

ntification (2)+(3) = énergie massique de pression si ∆gz et les pertes internes ∆ξi <<

2

∆−

∆+

∆=∆= ²

2²

2² WUCUCuEi

(3) accroissement de p/ρ par diminution de W (cas axial : 2 =0 ) (2) Accroissement de p/ρ par variation de ωR (cas radial pur: 3 2 :2 R∆ ω << )( 2

12

1Rp −≠

1121

21 Egzgz

ppCCgHE ∆+−+

−+

−==

Bernoulli intégré sur l’ensemble des lignes de courant

9

ρ

10


Relation de BERNOULLI dans le repère tournant : rothalpie

En combinant les deux relations précédentes :

iZZgPPUUWW ξ

ρΣ=−⋅+

−+

−−

−)(

22 1111

21

21

21

21

= rothalpie Cte le long d’une ligne de courant dans le repère tournantsi pas de pertes.

Degré de réaction. En négligeant les variations de cote entre l’entréeet la sortie de la roue: On définira le degré de réaction comme le rapport: On calcule σ en général pour le point nominal defonctionnement :

EE

nn EPP

ECC

⋅−

=⋅−

−=ρ

σ 1121

21

21

EEdynamiquestatique −== 1σ

statiquedynamique EEE +=


Puissance, rendement et pertes d’une turbomachine

� ��

Schéma d’une installation hydraulique

Puissance hydraulique fournie ou reçue par lamachine:

( )h I IP Q gH gH

QE

ρρ

= × −

=

Turbine ou Pompe

11


Bilans de puissance dans une roue de pompe

�

��

�

��

��

��

��

� ��

P rm

P

Pm

Puissance hydraulique

P Lm

Puissance absorbée

E r

η qη e

E rs

Perte d'énergie hydraulique massique

Arbre Roue

ηm

η rm

E

η = η h . ηm

Débit de fuite

eη h = η ⋅ η q ⋅ η rm

Perte de puissance parfrottement de disque

Perte de puissance dans les paliers

ρP h = E ⋅ ( Q)

(ρ Q)

Roue

ρ Q

Erb

(ρ Q)

(⋅P t = E t ρ Q) t

r

ΣE r

12


Caractéristique d’une pompe

Diamètre de"rognage"

Extrait de catalogue de constructeur (JS)

13


Bilans de puissance dans une roue de turbine

�

��

�

��

��

��

��

η

Perte d'énergie hydraulique massique

Roue Arbre

Puissance hydraulique

Puissance fournie

Perte de puissance dans les paliers

Débit de fuite

Ers

P

Pm

η rm

ηm PLm

ηe ηq

E t

E

.η = η η mh

h η ηq = e ⋅ η ⋅ rmPrm

(ρ Q)

(ρ Q) t

Pt = E t ⋅ (ρ Q) t

Ph = E ⋅ (ρ Q)

Erb

Roue

Perte de puissance parfrottement de disque

ρ Qr

ΣE r

14


15


3.2 Les turbines 1° Les différents type d’aménagement

16


(d’après SHF –minihydro)

17


(d’après SHF –minihydro)

18


Les équipements d’une centrale

Télécontrôle et télémaintenance

19


Seuilll gonflables

Seuil gonflable (ref. …..)

Le barrage de TUCURUI : une catastrophe écologique. (d’après P. HENRY)

20


Aménagement "Mini-Hydro" (ref. :…..)

••CChhaammbbrree ddee mmiissee eenn

cchhaarrggee ••CCoonndduuiittee ffoorrccééee ••TTuurrbbiinnee ••OOuuvvrraaggeess ddee rreessttiittuuttiioonn•• CCaannaall ddee ddéécchhaarrggee ••RRuuiisssseeaauu ddee ddééttoouurrnneenneemmeenntt oouu ppaassssee àà ppooiissssoonn

Env

•• rréésseerrvvooiirr dd’’aaccccuummuullaattiioonn ((rraarree eennµµ)) ••PPrriissee dd’’eeaauu llaattéérraalleeaavveecc bbaarrrraaggee ((ffiixxee oouummoobbiillee )) oouu «« àà llaattyyrroolliieennnnee »» ••CCaannaall ddee ddéérriivvaattiioonn oouudd’’aammeennééee ••DDééssaabblleeuurr

ironmental friendly “small hydro” (ref. …..)

••GGéénnéérraattrriiccee •• ttrraannssffoorrmmaatteeuurr ••LLiiggnnee éélleeccttrriiqquuee •• ccoonnttrrôôllee ccoommmmaannddee •• pprrootteeccttiioonnss

21


Underground discrete powerhouse (ref. …..)

Centrale ”discrète” dans une écluse historique à Heidelberg. (ref. …..)

Air injection

Turbine used as re-oxygenation device

22


""FFiisshhffrriieennddllyy"" ttuurrbbiinneess PPbb :: ggrraaddiieenntt ddee pprreessssiioonn ==>> ééccllaatteemmeenntt ddee llaa vveessssiiee nnaattaattooiirree eett iimmppaacctt ssuurr aauubbeess AAnnaallyyssee CCFFDD dduu ppaassssaaggee ddeess ppooiissssoonnss ddaannss uunnee ttuurrbbiinnee eenn vvuuee ddee ll’’ooppttiimmiissaattiioonn dduu ttrraaccéé ddee llaa ttuurrbbiinnee aavveecc ppoouurr oobbjjeeccttiiff uunn mmiinniimmuumm dd’’aaccccéélléérraattiioonn eett ggrraaddiieenntt ddee pprreessssiioonn eett llee mmooiinnss dd’’iimmppaacctt ssuurr lleess aauubbeess..

(ref. ENSEIGT CEI)

23


2° Les différents types de turbines

Domaine d’utilisation des différents type de turbine (d’après Bohl)

24


Comparaison des performance des différents type de turbines

25


3° Les Turbines PELTON (hautes chutes)

(document IMHEF)

(document VATECH-Hydro) VViitteessssee dduu jjeett :: 2gH

26


(document VATECH-Hydro)

(document VATECH-Hydro)

27


LLaa ggrraannddee DDiixxeennccee:: 33 xx 442200 MMww,, HH==22000000mm (document VATECH-Hydro)

(document IMHEF)

28


4° Les Turbines FRANCIS

SSiittee ddeess ““33 GGOORRGGEESS”” :: 2266 xx 880000 MMWW (ref. …..)

29


(ref. …..)(ref. ….IIttaaiippuu:: 1199xx 775500 MMWW

(ref. P. HENRY)

30


Bâche de turbine (d’après P. HENRY.

Ensemble d'avant-directrices en cours de pré-montage en usine (d’après P. HENRY).

31


Directrices de turbine en cours de montage (P. HENRY).

Système de commande du distributeur (P. HENRY).

32


La roue

Le diffuseur

33


55°° KKAAPPLLAANN && BBUULLBB TTuurrbbiinneess

Turbine KAPLAN (P. HENRY)

34


Turbine Bulbe (P. HENRY)

35


Roue Bulbe (P. HENRY)

36


Comparaison Bulbe/Kaplan à même puissance.

BBllaaddee mmeecchhaanniissmm

37


38


66°° PPuummpp--TTuurrbbiinneess

(ref. P. HENRY)

39


40


7° Mini-Hydro (ref. …….)

Q m3/s

41


Some examples ■■ MMaattrriixx ttuurrbbiinneess ((SSttéé VVAATTEECCHH HHyyddrroo))

What is a Matrix-Turbine ? Small bulb-turbine 1Unit =Runner+Generator Modules 100%prefabricated “Mass produced”

Application : digues, écluses,… 42


■■ IInndduussttrriiee ((iinndduussttrriiee cchhiimmiiqquuee))

IInnssttaallllaattiioonn PPEELLTTOONN ssuurr ééqquuiippeemmeenntt dd’’oossmmoossee iinnvveerrssee ■■ TTuurrbbiinnaaggee dd’’eeaauu ppoottaabbllee oouu uussééeess

(Photo MyHLAB)

43


■■ TTuurrbbiinnaaggee dd’’eeaauuxx uus(ref. Programme Diane 2000) sééeess

■■ RRééhhaabbiilliittaattiioonn ((sscciieerriieess,, mmoouulliinnss,, eettcc )) (ref. Programme Diane 2000)

44


■■ RRoouueess ddee mmoouulliinn (ref. Sté TURAS)

45


•• PPoommppee eenn ttuurrbbiinnee (ref. Programme Diane 2000)

46


■■ EEnneerrggiiee mmaarréémmoottrriiccee MMoouulliinn ddee BBrrééhhaatt

Turbine m

Usine marémotrice de la RANCE (ref. P. HENRY)

arémotrice dans le delta de l’Amazone (photo JLK) 47


■■ EEnneerrggiiee ddeess ccoouurraannttss eet vvaagguueess (ref. Revue “Oceans”)

t

Moulin à marée du

48

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