turbines

1995

724.247.1 f

Turbines hydrauliques

NERGIES RENOUVELABLES

Office fdral des questions conjoncturelles

Petites centrales hydrauliques Turbines hydrauliquesDe llectricit grce aux petites centrales hydrauliques une nergie propre qui prserve lenvironnement ! Il existe en Suisse un potentiel important dans le domaine des petites centrales hydrauliques qui pourrait savrer financirement intressant pour de nombreuses communes, collectivits et industries. Ce mode de production a malheureusement t nglig ces dernires dcennies, la priorit ayant t donne aux grandes centrales au fil de leau ou accumulation dans les Alpes. Par le Programme daction nergies renouvelables (PACER) de lOffice fdral des questions conjoncturelles, la Confdration a dcid dintervenir pour inciter les propritaires de droits deau, communes, administrations cantonales, ingnieurs, industriels et entrepreneurs sintresser cette forme de production dnergie et raliser des installations. Lobjectif est la promotion des technologies prouves des petites centrales hydrauliques (PCH) par une information objective et complte sur le sujet ainsi que la formation dingnieurs et de techniciens. La brochure Turbines hydrauliques fait partie dun ensemble de quatre publications techniques concernant la conception et la ralisation de petites centrales hydrauliques : Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine Conue comme document et en mme temps comme outil pratique, elle est destine aider les ingnieurs et techniciens non spcialiss qui sont concerns, dans le cadre de leur activit professionnelle, par la conception et la ralisation dune petite centrale hydraulique. Elle prsente les turbines hydrauliques du point de vue du technicien charg de leur slection, de leur acquisition et de leur intgration dans un site donn, sans entrer dans des considrations thoriques complexes. Elle contient les renseignements suivants : paramtres et caractristiques dune petite centrale hydraulique utiles pour le choix de la machine et son implantation ; paramtres communs tous les types de turbines hydrauliques ; types de turbines, paramtres et caractristiques : turbines action (Pelton, Crossflow), turbines raction (Francis, Kaplan, pompes inverses) ; points considrer lors dun appel doffres et la rdaction dun cahier des charges (fonctionnement nominal, demballement, implantation, cavitation, matriaux, dtails constructifs, etc.).ISBN 3-905232-54-5 1995, 134 pages N de commande 724.247.1f


Petites centrales hydrauliques

Turbines hydrauliquesJournes de formation pour ingnieurs

Programme d'action PACER Energies renouvelables Office fdral des questions conjoncturelles


Conception, rdaction et ralisation de ldition franaise J.-M. Chapallaz, ingnieur EPFL/SIA 1450 Ste-Croix Avec des contributions, pour la partie documentation, de: H.-P. Mombelli, EPFL-DGM-IMHEF, 1015 Lausanne A. Renaud, EPFL-DGM-IMHEF, 1015 Lausanne Relecture technique du manuscrit R. Chenal, ing. conseil, 1815 Clarens F. Heer, ing. EPFL, 1450 Ste-Croix D. Richardet, ing. civil EPFL-SIA, 1400 Yverdon G. Vuilloud, ing. EPFL, Hydro Vevey, 1800 Vevey Correcteur J.-C. Scheder, 1038 Bercher Graphisme de la couverture Isabelle Schaaf Graphic Design, 1020 Renens Mise en pages, photocomposition et flashage DAC, 1006 Lausanne et CITY COMP SA, 1110 Morges Direction du projet et coordination J. Graf, ingnieur ETS, Fontanezier

Associations de soutienLes organisations suivantes recommandent et soutiennent la participation aux journes PACER Petites centrales hydrauliques . ACS ADER Association des communes suisses Association pour le dveloppement des nergies renouvelables Association des usiniers suisses Association romande pour la protection des eaux et de lair Socit pour les techniques de lnergie de lASE Association suisse des professionnels de lpuration des eaux Centre de conseils Office dlectricit de la Suisse romande Association des professionnels romands de lnergie solaire Socit suisse des ingnieurs et des architectes Socit des meuniers de la Suisse romande Socit suisse de lindustrie du gaz et des eaux Union des centrales suisses dlectricit Union technique suisse Union des villes suisses

ADUR ARPEA ASE / ETG ASPEE

INFOENERGIE OFEL PROMES SIA SMSR SSIGE UCS UTS UVS

ISBN 3-905232-54-5 Copyright Office fdral des questions conjoncturelles, 3003 Berne, aot 1995. Reproduction d'extraits autorise avec indication de la source. Diffusion: Coordination romande du programme d'action Construction et nergie EPFL-LESO, Case postale 123, 1015 Lausanne (N de commande 724.247.1f).Form 724.247.1f 08.1995 1000


Avant-propos

Dune dure totale de 6 ans (1990-1995), le Programme daction Construction et Energie se compose des trois programmes dimpulsions suivants: PI BAT Entretien et rnovation des constructions RAVEL Utilisation rationnelle de llectricit PACER Energies renouvelables Ces trois programmes dimpulsions sont raliss en troite collaboration avec lconomie prive, les coles et la Confdration. Ils doivent favoriser une croissance conomique qualitative et, par l, conduire une plus faible utilisation des matires premires et de lnergie, avec pour corollaire un plus large recours au savoir-faire et la matire grise. Jusquici, si lon fait abstraction du potentiel hydrolectrique, la contribution des nergies renouvelables notre bilan nergtique est ngligeable. Aussi le programme PACER a-t-il t mis sur pied afin de remdier cette situation. Dans ce but le programme cherche : favoriser les applications dont le rapport prix / performance est le plus intressant ; apporter les connaissances ncessaires aux ingnieurs, aux architectes et aux installateurs ; proposer une approche conomique nouvelle qui prenne en compte les cots externes ; informer les autorits, ainsi que les matres de louvrage. Cours, manifestations, publications, vidos, etc. Le programme PACER se consacre, en priorit, la formation continue et linformation. Le transfert de connaissances est bas sur les besoins de la pratique. Il sappuie essentiellement sur des publications, des cours et dautres manifestations. Les ingnieurs, architectes, installateurs, ainsi que les reprsentants de certaines branches spcialises, en constituent le public cible. La diffusion plus large dinformations plus gnrales est galement un lment important du programme. Elle vise les matres de louvrage, les architectes, les ingnieurs et les autorits. Le bulletin Construction et Energie , qui parat trois fois par an, fournit tous les dtails sur ces activits. Ce bulletin peut tre obtenu gratuitement sur simple demande. Chaque participant un cours ou autre manifestation du programme reoit une publication spcialement labore cet effet. Toutes ces publications peuvent galement tre obtenues en sadressant directement la Coordination romande du programme daction Construction et Energie EPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne. Comptences Afin de matriser cet ambitieux programme de formation, il a t fait appel des spcialistes des divers domaines concerns; ceux-ci appartiennent au secteur priv, aux coles ou aux associations pro-


fessionnelles. Ces spcialistes sont pauls par une commission qui comprend des reprsentants des associations, des coles et des branches professionnelles concernes. Ce sont galement les associations professionnelles qui prennent en charge lorganisation des cours et des autres activits. Pour la prparation de ces activits une direction de programme a t mise en place; elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay, du Dr Charles Filleux, de M. Jean Graf, du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme Irene Wuillemin et de M. Eric Mosimann de lOFQC. La prparation des diffrentes activits se fait au travers de groupes de travail, ceux-ci sont responsables du contenu de mme que du maintien des dlais et des budgets. Documentation La brochure Turbines hydrauliques fait partie dun ensemble de quatre publications techniques concernant les petites centrales hydrauliques : Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine Conue comme document et en mme temps comme outil pratique, elle est destine aider les ingnieurs et techniciens non spcialiss qui sont concerns, dans le cadre de leur activit professionnelle, par la planification et la ralisation dune petite centrale hydraulique. Elle prsente les turbines hydrauliques du point de vue du technicien charg de leur slection, de leur acquisition et de leur intgration dans un site donn, sans entrer dans des considrations thoriques complexes. Elle contient les renseignements suivants : paramtres et caractristiques dune petite centrale hydraulique utiles pour le choix de la machine et son implantation ; paramtres communs tous les types de turbines hydrauliques ; types de turbines, paramtres et caractristiques : turbines action (Pelton, Cross-flow), turbines raction (Francis, Kaplan, pompes inverses) ; points considrer lors dun appel doffre et la rdaction dun cahier des charges (fonctionnement nominal, demballement, implantation, cavitation, matriaux, dtails constructifs, etc.). Le prsent document a fait lobjet dune procdure de consultation, il a galement t soumis lapprciation des participants au premier cours pilote, ce qui a permis aux auteurs deffectuer les modifications qui leur sont apparues souhaitables et dont ils assument l'entire responsabilit. Des amliorations sont encore possibles et des suggestions ventuelles peuvent tre adresses soit au directeur du cours, soit directement auprs de lOffice fdral des questions conjoncturelles. Pour terminer nous tenons remercier toutes les personnes qui ont contribu la ralisation de la prsente publication. Office fdral des questions conjoncturelles Service de la technologie Dr B. Hotz-Hart Vice-directeur


Table des matires

Introduction 1. 2. 3. Paramtres communs tous les types de turbines Turbines action Turbines raction

7 9 43 57

4.

Slection d'une turbine et appel d'offres

87

5.

Etude de cas Bibliographie Liste des publications et vidos du programme d'action PACER

111 129 131

Introduction

Introduction

Depuis la roue aubes entranant un moulin, les machines hydrauliques ont subi une volution technique considrable. Il existe actuellement plusieurs types de turbines, et pour chaque type, une large plage de caractristiques. Il est donc important pour lingnieur soccupant de lacquisition dune turbine, de possder un certain nombre de connaissances au sujet de ces machines, de leur implantation et de leur fonctionnement.Eau sous pression

Phyd

VR

TURBINE

AR

Pmec

RA

Machine alimente en eau sous pression, qui met en mouvement une roue aubes et produit de la force, ou puissance mcanique, par lintermdiaire dun arbre en rotationVR : vanne de rglage du dbit deau (nomme distributeur ou injecteur selon le type de turbine). Celle-ci permet de rgler la puissance en fonction des besoins du consommateur et de l'eau disposition RA : roue aubes ou augets AR : arbre en rotation Phyd : puissance hydraulique fournie la turbine par un dbit deau sous pression Pmec : puissance mcanique dlivre par la turbine

7

Introduction

But du coursLe prsent cours est destin des ingnieurs ou techniciens non spcialiss dans le domaine des petites centrales hydrauliques. Il leur permettra dacqurir des connaissances de base sur le fonctionnement et lexploitation des turbines hydrauliques et de mener les pourparlers avec les fournisseurs de machines dans le cadre dun appel doffres.

PralableIl est admis que les personnes suivant ce cours ont pris connaissance de la brochure dinformation Petites centrales hydrauliques dite dans le cadre du programme PACER.

Contenu du coursLe prsent cours fait partie dun ensemble traitant des quatre thmes suivants : Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine . Le chapitre 1 de la brochure prsente les composants et paramtres principaux dune petite centrale hydraulique, les conditions dexploitation dune turbine ainsi que les lois de similitude qui permettent de dimensionner la machine partir dessais sur modles. Ceci en vue dune meilleure comprhension des caractristiques tablies par les constructeurs. Les chapitres 2 et 3 dcrivent les principes de fonctionnement et les dtails constructifs des turbines action et raction sans entrer dans des considrations thoriques compliques. Des formules simples permettent destimer la grandeur des machines par rapport aux donnes dun site, et les facteurs influenant leur implantation. Le chapitre 4 constitue loutil pratique utile pour la slection et la rdaction dun cahier des charges en vue de lachat dune turbine. Il contient diverses abaques, diagrammes et figures pouvant suggrer des solutions lingnieur et lui permettre le choix optimal de la turbine. Enfin le chapitre 5 prsente l'tude de quatre cas de microcentrales et la slection de la turbine la mieux adapte au site donn.

8

1. Paramtres communs tous les types de turbines


1.1

Composants, prol en long et ligne dnergie dune petite centrale hydraulique Puissance hydraulique dune turbine Couple, vitesse de rotation, puissance mcanique et rendement dune turbine Conditions dexploitation dune turbine dans une petite centrale hydraulique Courbes caractristiques dune turbine Essais sur modles rduits Courbes caractristiques vitesse constante Courbes caractristiques vitesse variable Lois de similitude Changement des caractristiques de fonctionnement dune turbine donne Changement des caractristiques et de la taille dune turbine Paramtres unitaires et adimensionnels Classication des turbines Vitesse spcique Rsum des types principaux de turbines et de leur domaine dapplication

10 14

1.2 1.3

16

1.4

18 24 24 26 30 33 33 34 35 37

1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 1.8

39

9


1.1

Composants, prol en long et ligne dnergie dune petite centrale hydraulique

Les composants dune petite centrale hydraulique ont t prsents dans la brochure dinformation Petites centrales hydrauliques (1). Le schma de la gure 1.1.1 prsente le prol en long dune petite centrale avec ses diffrents composants et les lignes dnergie et de pression. Pour plus de clart, les paramtres sont rednis sur une gure simplie, la gure 1.1.2 Dnitions Dbit Symbole : Q Unit : (m3 / s)

Le dbit est le volume deau par unit de temps qui transite par lamnagement pour alimenter la turbine. Chute brute Symbole : Hb Unit : (m)

La chute brute est la diffrence daltitude entre le niveau la prise deau (point de rfrence 3) et le niveau laval de la centrale (point de rfrence 4). Elle est souvent appele hauteur godsique Zg. Chute nette Symbole : H Unit : (m)

La chute nette reprsente lnergie hydraulique disposition de la turbine. Elle est gale la chute brute moins les pertes de charge HL entre la prise deau et le point de rfrence amont de la turbine 1 dune part, et le point de rfrence aval de la turbine 2 et le niveau aval de la sortie de la centrale dautre part. Les pertes de charge correspondent lnergie ncessaire pour faire passer leau travers grilles et vannes et vaincre le frottement contre les parois du canal damene et de la conduite force. Les pertes de charge varient selon la loi : HL = A Q2 ce qui permet de calculer la chute nette pour diffrents dbits turbins : H = Hb - A Q2 Le coefcient A peut tre calcul partir des pertes de charge connues pour un point de fonctionnement, nominal par exemple : A = HL / Q2

10


HL 3 1 2

Pr

Ds

Ca Dg Cc

Cf Ec

E Ep

p H Hb (Zg)

Vt

Tu Ge 4

Figure 1.1.1 : Composants et prol en long dune petite centrale hydrauliquePr : Ds : Ca : Dg : Cc : Cf : Vt : Tu : Ge : 1: 2: 3: 4: E: Ec : Ep : p: Hb : H: prise deau dessableur canal / conduite damene dgrilleur chambre de mise en charge conduite force vanne turbine turbine gnrateur point de rfrence amont de la turbine point de rfrence aval de la turbine point de rfrence amont de lamnagement point de rfrence aval de lamnagement ligne dnergie nergie cintique nergie de pression pression chute brute chute nette

11


Energie hydraulique massique

Symbole : E

Unit : (J / kg)

Selon la loi de Bernoulli, lnergie hydraulique est la somme de : Lnergie de pression p / (J / kg) avec : pression Symbole : p Unit : (N / m2, 1bar = 105N / m2) 1 bar = 10.2 m de colonne deau lue sur un manomtre et reprsente par la hauteur manomtrique p / g en (m) de colonne deau. Lnergie godsique gz (J / kg) avec : hauteur godsique Symbole : z Unit : (m) hauteur entre laxe du manomtre et le plan de rfrence X de la mesure de lnergie (note: Z peut tre ngatif). Lnergie cintique de leau Symbole : Ec = v2 /2 Unit : (J / kg) avec v = Q / S (m / s), vitesse de leau, S tant la section de passage du canal ou de la conduite au point considr (m2). Par exemple en un point X de la conduite force, nous avons lnergie hydraulique suivante (voir gure 1.1.2) Ex = gHx = px / + vx2 / 2 + gzx calcule en joule / kg (J / kg) avec g = 9.81 (m / s2) = acclration de la pesanteur et = masse volumique de leau = 1000 kg / m3

La relation entre lnergie hydraulique massique et la hauteur deau, souvent dnie par le terme de charge dans le domaine du gnie civil est la suivante : Hx = Ex / g ou Ex = gHx

Lnergie hydraulique massique E = gH absorbe par la turbine est la diffrence entre lnergie massique E1 = gH1 lentre de la turbine et lnergie massique E2 = gH2 la sortie. gH = gH1 gH2 ou E = E1 E2 (J / kg) avec

p v2 E1 = gH1 = 1 + gz1 + 1 (J / kg) 2 p v2 E2 = gH2 = 2 + gz2 + 2 (J / kg) 2

12


3

pa v2x /2 gHL

Pr Cf px / gH gHb

px

(gZg)

gzx X Q,vx 1 Tu

2

pa

4

Figure 1.1.2 : Ligne dnergie (ou ligne de charge) dune petite centrale hydrauliquePr : prise deau Cf : conduite force Tu : turbine 1: 2: Hb : H: HL = Q: point de rfrence amont turbine point de rfrence aval turbine chute brute (m) chute nette (m) A Q2 : pertes de charge (m) dbit (m3 / s)

Energie Ex (ou charge Hx) au point X :

p v2 Ex = gHx = x + x + gzx (J/kg) 2g= = px : vx : 9.81 (m / s2) 1000 (kg / m3) pression en (N / m2) 105 N / m2 = 1 bar vitesse dcoulement (m / s)

Note: px est gnralement la pression relative (sur- ou souspression) mesure par rapport la pression atmosphrique pa.

13


1.2

Puissance hydraulique dune turbineSymbole : Phyd Unit : (W)

Puissance hydraulique

La puissance hydraulique est la puissance fournie la turbine par leau qui lalimente. Elle est donne par le produit de lnergie hydraulique gH avec le dbit massique (dbit volumique par masse spcique) Q Phyd = Q gH (W) Les normes suisse ASE 3055.1974 et internationale CEI 41 concernant les essais de rception des turbines hydrauliques dnissent les points de rfrence lamont (1) et laval (2) de la turbine entre lesquels est mesure la chute (ou lnergie) nette. Cest en ces points que sont placs les instruments servant mesurer la pression ou le niveau (manomtres ou limnimtres). La gure 1.2 montre le principe de mesure et de calcul de la chute nette et autres paramtres ncessaires la dtermination de la puissance hydraulique de la turbine.

14


E

2 v1 2

H1

Ep

p1

Tu z1 Ge H

v1 Q Vt 1 H2

z2 100 : : : Qe < Qn Qe Qn Qe > Qn

75

3. Turbines raction

3.4

Turbine Francis

Les composants principaux dune turbine Francis sont montrs sur la gure 3.4.a pour une machine sans bche spirale, installe dans une chambre deau ouverte. Ce cas se prsente frquemment dans des microcentrales anciennes. La partie xe de la turbine comprend lanneau dentretoises, destin recevoir le distributeur et le support du palier de la turbine, et qui est lui-mme directement pos sur laspirateur scell dans la dalle en bton. Le distributeur, qui sert rgler le dbit, est constitu par une srie daubes rotatives, entranes par des biellettes lies lanneau de vannage. Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande du distributeur qui lentrane par deux tirants. La tige de commande peut tre manuvre la main (anciennes installations) ou par un moteur hydraulique ou lectrique (installations automatiques). La roue de la turbine est place lintrieur du distributeur. Larbre qui la relie la gnratrice ou un multiplicateur de vitesse est guid par le palier principal de la turbine.

76

3. Turbines raction

Tc Vue en coupe At

Pal Ent

Hb

Ra

Asp

Anv Vue en plan

Tc

Bi

Ad

Figure 3.4.a : Composants principaux dune turbine FrancisEnt : Ad: Bi : Anv : Tc: Ra: Asp: Pal: At: anneau dentretoises aube mobile du distributeur biellette dentranement de laube du distributeur anneau de vannage tige de commande du distributeur roue aube aspirateur palier principal arbre turbine

77

3. Turbines raction

La gure 3.4.b donne quelques indications permettant destimer la grandeur dune roue de turbine Francis. Cette gure montre galement lvolution de la forme de la roue en fonction de la vitesse spcique nq. Les turbines dites lentes (nq petit) ont un coulement radial, alors que lcoulement dans les machines rapides (nq lev) devient semi-axial.

78

3. Turbines raction

Do D1i

zo

Bo zr

D2e

nq = 29 min-1 0,11

nq = 51 min-1

nq = 100 min-1

1,0

0,35

1,0

0,24

0.69 1,0

1,0

1,15

Figure 3.4.b : Dimensions principales dune roue de turbine Francis pour diffrentes vitesses spciquesD1i 2gH = 2 1i 21 2

R1i =

avec 1i = 1.65 ... 1,8

H: Q: : n: zo : zr :

chute nette (m) dbit au rendement maximum (m3/s) vitesse de rotation (rad / s) vitesse de rotation (t / min) nombre daubes du distributeur nombre daubes de la roue

H D1i 64,4 n R2e =

(m)1 3

D2e Q/ = 2 2e

avec 2e = 0,26 ... 0,281

D2e 4,44 Q n

3

(m)

79

3. Turbines raction

3.5

Pompe inverse

La pompe inverse est une pompe standard qui est utilise comme turbine en inversant le sens de lcoulement de leau ainsi que celui de la rotation de larbre. Son fonctionnement peut se comparer celui dune turbine Francis dont le distributeur resterait en position xe. Il sagit dune machine simple et bon march (prix infrieur la moiti de celui dune turbine construite sur mesure). Son application va des hautes aux basses pressions, mais reste cependant limite pour les raisons suivantes : la pompe inverse ne peut travailler qu dbit constant ; en cas de dcharge brusque (panne du rseau lectrique), elle peut provoquer dimportants coups de blier dans les conduites, car son dbit lemballement est infrieur son dbit nominal ; sa construction mcanique doit tre contrle en vue du fonctionnement en turbine (paliers, joints, vitesse demballement) ; son rendement est infrieur celui dune turbine. Il est important de noter que le point de fonctionnement optimal dune pompe utilise comme turbine est notablement diffrent de celui de la mme machine utilise comme pompe. La chute nette optimale en rgime turbine est environ 1.3 1.6 fois celle de la pompe, et le dbit 1.2 1.4 fois, ceci pour une vitesse spcique nq comprise entre 30 et 100. La slection dune pompe utilise comme turbine reste laffaire de spcialistes, et il est recommand de travailler avec des fournisseurs de pompes ayant de lexprience dans ce domaine, capables de fournir des courbes caractristiques garanties et si possible mesures sur banc dessai en usine. La gure 3.5 prsente les courbes caractristiques compltes dune pompe vitesse de rotation constante.

80

3. Turbines raction

convention des signes pompe comme frein H pompe en turbine nQ+

Q+

n+

tmax

Hnt

pompe normale pmax n+

Hnp

-Q

Qnt

Qnp

Q+

P Pnt pmax

tmax

Pnp

-Q

Qnt

Qnp

Q+

Figure 3.5 : Courbes caractristiques compltes dune pompe vitesse de rotation constanteQnp, Hnp, pmax : point de fonctionnement optimum comme pompe Qnt, Hnt, tmax : point de fonctionnement optimum comme turbine n: Q: H: P: : vitesse de rotation dbit chute (ou charge) puissance rendement

81

3. Turbines raction

3.6

Turbines hlice et Kaplan

Les turbines hlice et Kaplan sont les plus appropries pour le turbinage des faibles chutes. Elles se particularisent par leur roue qui est similaire une hlice de bateau, et dont les pales sont xes (turbine hlice) ou rglables en marche (turbine Kaplan). Ces machines sont classes en fonction de : a) leurs possibilits de rglage, selon les exigences du site : turbine hlice pales et distributeur xes : pour des dbits constants, puissance xe; turbine hlice pales xes et distributeur mobile : pour des dbits levs et peu variables; turbine Kaplan pales variables et distributeur xe : permet de turbiner bon rendement des dbits variant entre 30 et 100 %; turbine Kaplan pales et distributeur rglables : adapte pour des dbits trs variables, entre 15 et 100 %. Il sagit de la machine la plus complique avec ses deux possibilits de rgulation qui doivent tre accordes ensemble pour donner les rsultats voulus : pour chaque position de pale, le distributeur doit tre cal sur langle qui donne le meilleur rendement total. En pratique, le signal de la rgulation commande lun des deux organes (par exemple la roue) et le second est asservi au premier selon une loi de corrlation qui donne automatiquement la position optimale, par une came ou une programmation lectronique.

b) le type dcoulement la roue dune turbine Kaplan peut tre place dans un distributeur classique, comme sur une turbine Francis. Lcoulement est radial dans le distributeur, puis axial travers la roue. La turbine est place soit dans une bche spirale, soit dans une chambre deau, comme la turbine Francis de la gure 3.4.a. le distributeur peut tre conique, ou axial, et lcoulement subit ainsi un minimum de changement de direction. Cest le type de machine qui est reprsente sur la gure 3.6.a, qui en prsente les composants principaux. Cette disposition permet dobtenir une construction trs compacte : la turbine peut tre intgre dans une conduite, ce qui simplie le gnie civil.

82

At Anv Pal Cp Pa

Ah

Vh

Joi

Tcp

Ent

Ad

Figure 3.6.a : Composants principaux dune turbine KaplanEnt: entretoises Anv : anneau de vannage Ad: aubage du distributeur Pal : palier Pa: pale mobile de la roue Cp: commande des pales de la roue

Ah : Vh: Joi: Tcp : At :

alimentation huile vrin de commande de la roue joint darbre tige de commande des pales de la roue arbre turbine

3. Turbines raction

83

3. Turbines raction

Do la varit des dispositions possibles : turbine dans conduite en siphon ; turbine en S dans conduite (amont ou aval); turbine bulbe ; turbine immerge monobloc (voir gure 4.1.4.c). La gure 3.6.b dsigne les dimensions principales dune turbine Kaplan distributeur radial, avec les indications pour estimer approximativement le diamtre de la roue.

84

3. Turbines raction

D0

z0

B0

zr

Di

De

Figure 3.6.b : Dimensions principales dune turbine Kaplan et calcul approximatif du diamtre de la roueH De 84,6 c ue n

(m)

H : chute nette (m) n : vitesse de rotation (t / min) cue : coefcient de vitesse, fonction de la vitesse spcique nq cue : 1.2 nq : 100 De : Di : z0 : zr : 1.4 125 1.51 150 1.65 175 1.75 200 1.85 225 1.95 250

diamtre indicatif du manteau de la roue (m) diamtre du moyeu de la roue (m) nombre daubes du distributeur nombre daubes de la roue

85

4. Slection d'une turbine et appel d'offres


4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3

Slection dun ou plusieurs types de turbines Chute brute et chute nette en fonction du dbit Courbe des rendements des turbines en fonction du dbit Vitesse de rotation du groupe turbine-gnrateur Implantation de la turbine Disposition du groupe Marche suivre pour slection prliminaire Appel doffres prliminaires Procdure propose pour un appel doffres Demande doffres budgtaires Cahier des charges pour appel doffres

88 88 92 94 96 102 104 104 104 105 106

87


4.1

Slection dun ou plusieurs types de turbines

La slection dun type de turbine va tre fonction non seulement de la chute nette et du dbit, mais aussi des donnes spciques au site sur lequel la machine sera installe.

4.1.1

Chute brute et chute nette en fonction du dbit

Dans quelle mesure la chute va-t-elle varier : en fonction du dbit (pertes de charge) ; en fonction des conditions hydrologiques extrmes (par exemple lvation du niveau aval en cas de crue) ; en fonction du concept de lamnagement (hauteur de chute variable dans un rservoir daccumulation par exemple). Il est donc utile dtablir le plus exactement possible les conditions dexploitation, en gardant en mmoire quune turbine raction, de type Francis ou Kaplan, sadapte mieux des fortes variations de chute relative quune turbine action, Pelton ou Crossow. Les abaques, gures 4.1.1.a (turbines) et 4.1.1.b (pompes inverses) permettent de prslectionner un type de turbine en fonction de la chute et du dbit.

88


Chute nette H (m)

Crossow

Dbit Q (m3/s)

Figure 4.1.1.a: Domaine d'utilisation des diffrents types de turbines (chutes nettes, dbits, puissances)

89


90

pompes un tage pompes double ux pompes radiales multitages pompes multitages

Chute nette H(m)

pompes double ux

pompes radiales un tage

pompes diagonales

Dbit Q (m3(s)


91

Figure 4.1.1.b: Domaine dutilisation (chute nette, dbit, puissance) des pompes inverses utilises comme turbine


4.1.2

Courbe des rendements des turbines en fonction du dbit

Le dbit disposition et sa variation annuelle va galement inuencer le choix de la turbine : dbit constant (eau excdentaire en permanence) turbine ouverture xe, par exemple pompe inverse, turbine hlice pales xes, Pelton injecteur xe ; dbit peu variable, la turbine fonctionne peu dheures par anne faible charge. Dans ce cas, une turbine Francis ou une turbine Kaplan distributeur xe, avec un excellent rendement au dbit nominal et dfavorable en dessous de 40 % de ce dbit, peuvent prsenter un meilleur bilan conomique que par exemple une turbine Crossow, moins chre, mais avec un moins bon rendement de pointe ; dbit trs variable, la turbine fonctionne souvent faible dbit. Dans ce cas, une turbine Crossow peut tre plus favorable quune turbine Francis, malgr son rendement maximum infrieur. Une turbine Pelton jets multiples est suprieure une turbine Francis, une turbine Kaplan double rglage meilleure que des machines simple rglage de prix infrieur. Dans certains cas, linstallation de deux turbines peut constituer la solution nergtiquement et conomiquement la plus favorable (2 turbines accouples un gnrateur ou 2 groupes indpendants). La forme des courbes de rendement, ainsi que les valeurs maximum indiques la gure 4.1.2 permettent une premire comparaison entre les divers types de turbines.

92


Rendement relatif des turbines /max

1

2

3

4

Dbit relatif Q/Qmax

Figure 4.1.2 : Forme des courbes de rendement de diffrentes turbines pour des dbits variablesOrdre de grandeur des rendements maximum max : Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Courbe 4 : Turbine Pelton Turbine Crossow 2 cellules Turbine Kaplan Turbine Francis Turbine Crossow 1 cellule Pompe inverse max = 84 - 90 % max = 78 - 84 % max = 84 - 90 % max = 84 - 90 % max = 78 - 84 % max = 75 - 90 %

93


4.1.3

Vitesse de rotation du groupe turbine-gnrateur

La vitesse de rotation dun gnrateur est lie la frquence constante du rseau 50 Hz. Les gnrateurs synchrones, selon leur nombre de ples, tourneront aux vitesses suivantes : 1 paire de ples 2 paires de ples 3 paires de ples 4 paires de ples 5 paires de ples 6 paires de ples n = 3000 t / min n = 1500 t / min n = 1000 t / min n = 750 t / min n = 600 t / min n = 500 t / min

Les vitesses de rotation des gnrateurs asynchrones seront suprieures de 1 2 % aux valeurs indiques, une lgre survitesse tant ncessaire pour crer le champ magntique dans la machine. En pratique : La vitesse maximum est limite 1500 t / min (2 paires de ples), pour tenir compte de la survitesse de lemballement qui provoque des contraintes mcaniques trs importantes au-del. Pour les valeurs des vitesses demballement, voir 2.1 et 3.3. De ce fait, des gnratrices 1 paire de ples ne sont que rarement installes (vitesse demballement 6000 t / min). En dessous de 600 t / min (6 paires de ples et plus), le volume du gnrateur, donc son prix par rapport la puissance installe, augmente paralllement une baisse du rendement d une augmentation des pertes, en particulier magntiques. Lorsque la vitesse de rotation de la turbine est infrieure 600 t / min, elle entrane gnralement une gnratrice faible nombre de ples (1000 ou 1500 t / min) par lintermdiaire dune transmission courroie ou dun multiplicateur engrenages par exemple. Labaque de la gure 4.1.3 permet la slection ainsi que la comparaison des divers types de turbines en tenant compte de leur vitesse de rotation. Cette abaque montre bien que deux, voire mme trois types de turbines peuvent tre considrs pour un site donn : Pelton / Francis / Crossow pour chutes moyennes Francis / Crossow / Kaplan pour chutes basses

94


Vitesse de rotation n en t / min

Dbit Q en l/s

Exemple : Donnes : H = 50 m Q = 100 l / s Turbines possibles : 1) Crossow ou Francis, n = 1500 t / min 2) Pelton multijets h = 750 t / min

Dbit Q en m3/s

Vitesse spcique nq

un jet

multi-jets

turbine Pelton turbine Francis turbine Crossow turbine Kaplan

Figure 4.1.3: Abaque de slection de diffrents types de turbines

Chute nette H en m

95


4.1.4 Implantation de la turbine Pour les chutes hautes moyennes, la turbine sera trs certainement alimente par une conduite force et installe au-dessus du niveau aval. Selon le type de turbine choisi, lnergie aval, cest--dire la hauteur entre laxe de la turbine et le niveau deau dans le canal de fuite sera partiellement ou totalement perdue : turbines Pelton : turbines Crossow : nergie aval perdue (roue dnoye) 50 75 % de lnergie aval pourra tre rcupre par laspirateur (attention : hauteur daspiration limite env. 3 m pour raison de cavitation) (Francis, Kaplan, pompes inverses) lnergie aval peut tre totalement rcupre (pertes incluses dans le rendement de la turbine). La hauteur daspiration sera dnie par le coefcient de cavitation de la turbine.

turbines raction :

La gure 4.1.4.a montre ces trois cas. La gure 4.1.4.b prsente les valeurs du coefcient de cavitation en fonction de la vitesse spcique nq des turbines raction. Cette courbe permet, au stade de lavant-projet, de dnir provisoirement la hauteur dimplantation de la machine.

96


Turbine Pelton eau H

air

Hs perdu

Turbine Crossow avec aspirateur

H

air, env. 0,3 Hs perdu Hs eau

Hsmax = env. 3 m (limit par cavitation)

Turbine raction (Francis, Kaplan, pompe inverse)

H

eau

Hs rcupr

aspirateur

Hsmax dtermin par coefcient de cavitation

Figure 4.1.4.a: Chute nette et hauteur daspiration pour diffrents types de turbines

97


Pour les basses chutes, il existe une varit de possibilits dimplantation des turbines, qui peuvent avoir un impact important sur les ouvrages de gnie civil. Dans ce contexte, le prix de la turbine nest pas un critre dterminant, mais bien plutt les conomies que le type de machine choisi peut permettre de raliser sur lensemble des ouvrages.

Implantations possibles : turbine Francis ou Kaplan en chambre deau ouverte place lextrmit du canal, axe de la machine horizontal ou vertical ; turbine Kaplan ou hlice type S, en conduite ; turbine Kaplan, type bulbe ; turbine Kaplan ou hlice en siphon.

Dans ces cas, il est recommand dexaminer laide du diagramme de la gure 4.1.4.b la hauteur dimplantation de laxe de la turbine par rapport au niveau aval dtiage (hauteur daspiration maximum).

98


Coefcient de cavitation

1

2

Vitesse spcique nq

Figure 4.1.4.b: Coefcient de cavitation des turbines ractionCourbe 1: Courbe 2: pompes, utiliser pour pompes inverses turbines Francis et Kaplan

Calcul de la hauteur daspiration Hs: Hs = Ha - Hv - H Ha = pression atmosphrique (m) altitude 500 m Ha 9.5 m altitude 1000 m Ha 9.0 m Hv = pression de dgagement de vapeur de leau (m), fonction de la temprature de l'eau T T = 8C T = 24C Hv = 0.1 m Hv = 0.3 m

H = chute nette maximum au dbit maximum de la turbine (m) Voir aussi gure 3.2.4

99


La gure 4.1.4.c prsente quelques implantations de turbines basse chute parmi les nombreuses possibilits offertes par les constructeurs.

100


volant d'inertie

multiplicateur

turbine

H

chambre d'eau

gnrateur

Turbine Francis en chambre d'eau

gnrateur multiplicateur courroie dgrilleur turbine aspirateur

Turbine hlice ou Kaplan simple rglage en siphon

gnrateur

aspirateur Turbine Kaplan ou hlice type bulbe dans barrage multiplicateur turbine

Figure 4.1.4.c

Exemples de turbines basse chute et de leur implantation

101


4.1.5

Disposition du groupe

Il y a trois dispositions principales possibles : Roue de la turbine monte sur laxe du gnrateur, conguration horizontale ou verticale (monobloc). Cette disposition est la moins onreuse et la plus compacte. Elle exige nanmoins une bonne prcision au montage et un dimensionnement particulier des paliers de la gnratrice, qui sont trs sollicits. Un volant dinertie peut tre mont lautre extrmit de la gnratrice sur un deuxime bout darbre. Turbine entranant directement la gnratrice, les deux machines ayant leurs propres paliers et relies par un accouplement lastique. Disposition traditionnelle qui permet de bien sparer les composants mcaniques et lectriques de linstallation. Elle permet une meilleure standardisation, la turbine pouvant tre aussi utilise avec une transmission dautres vitesses que synchrones. Turbine vitesse lente entranant la gnratrice par lintermdiaire dun multiplicateur de vitesse (courroie ou engrenages). Pour autant que cela soit techniquement possible, la transmission par courroie plate sera prfre au multiplicateur engrenages (plus silencieuse, entretien quasi nul, pas de vidange priodique dhuile).

La gure 4.1.5 prsente diffrentes dispositions possibles du groupe turbine-gnrateur.

102


bti

Turbine Pelton monobloc (roue sur arbre gnrateur)

gnrateur

roue

volant d'inertie

turbine accouplement

gnrateur

Turbine Francis et gnrateur spars avec accouplement direct

aspirateur

Turbine Kaplan en chambre d'eau. Entranement du gnrateur par courroie plate transmission courroie gnrateur

turbine

aspirateur

Figure 4.1.5: Dispositions possibles de groupes turbine-gnrateur

103


4.1.6

Marche suivre pour slection prliminaire

1. Dnir les donnes hydrauliques du site : chute brute, chute nette, dbit et le domaine de fonctionnement de la turbine (voir gure 1.4.1). 2. Slectionner provisoirement un, deux ou trois types de turbines (voir gures 4.1.1.a et 4.1.1.b). 3. Slectionner un, deux ou trois types de turbines en tenant compte de la vitesse de rotation, en recherchant autant que possible une vitesse synchrone permettant daccoupler directement la turbine au gnrateur (voir gure 4.1.3). 4. Conrmer la slection ou liminer lun ou lautre type de machine en fonction: de la courbe de rendement dsire (voir gure 4.1.2); de la vitesse de rotation qui dtermine la taille donc le cot du groupe; de limplantation sur le niveau aval (turbine avec ou sans aspirateur) et des structures du gnie civil ncessaires (voir gures 4.1.4.a et 4.1.4.c). 5. Choisir une disposition du groupe en fonction de la place dans la centrale et de critres relatifs lexploitation (par exemple, la qualication du personnel charg de lentretien et de la rvision peut inuencer le choix de la disposition du groupe).

4.2

Appel doffres prliminaires

4.2.1 Procdure propose pour un appel doffres 1. Slection prliminaire dun trois types de turbines (voir 4.1.6) 2. Demande doffres budgtaires (prix + /- 20 %) un cercle aussi large que possible de fournisseurs. 3. Sur la base des offres budgtaires et des propositions techniques reues, appel doffres dnitif un nombre restreint de fabricants (2 4) dont les produits rpondent le mieux aux exigences du matre de louvrage (critres techniques, nanciers et dexploitation). Si le type de turbine et son implantation sont trs bien dnis, et quun nombre restreint de fabricants sont consults, il est possible de passer directement de ltape 1 ltape 3.

104


4.2.2 But

Demande doffres budgtaires

Recevoir des propositions techniques et budgtaires en vue de : comparer les solutions techniques de diffrents constructeurs pour un mme type de turbine et apprcier leurs avantages et inconvnients (impact sur le prix du gnie civil, complexit/simplicit technique, incidences sur lexploitation); avoir une ide du prix pour xer le crdit de construction. Cette demande doffres sera distribue un nombre aussi grand que possible de fournisseurs (en tenant compte de la distance gographique pour assurer un service aprs-vente de cot raisonnable). En effet, nombre de fabricants ne disposent peut-tre pas de la turbine adapte ce site donn dans leur programme, ce qui fait que lon peut sattendre ce quun certain nombre de demandes restent sans rponse. Contenu La demande doffres budgtaires contiendra les informations minimales suivantes : domaine de fonctionnement prvisible de la turbine (chute brute, chute nette, dbit) implantation et dispositions dsires, ou prfres (joindre si possible un croquis de la centrale) type de fonctionnement : entranement mcanique direct, production dlectricit en lot ou en parallle sur le rseau, autre Les spcications techniques de la demande doffres budgtaires sont volontairement limites, an que le fabricant ait toute latitude de proposer un quipement faisant partie de son programme standard et que le travail ncessaire pour la prparation de son offre reste de faible ampleur. Les informations suivantes lui seront demandes : courte description de lquipement propos, accompagne dune documentation technique (prospectus et / ou dessins dinstallations similaires dj ralises) ; prix budgtaire et dlai probable de fabrication ; performances, en particulier rendements prvisibles ; implantation, en particulier hauteur daspiration possible (pour turbine Crossow ou turbine raction) ; liste de rfrences de machines semblables avec nom, adresse et N de tl. / fax de lexploitant.

105


En conclusion Lappel doffres prliminaires permet au matre de louvrage davoir une bonne vision de la technologie disposition et de se dterminer sur le concept dnitif de son installation en se concentrant sur une ou deux variantes choisies parmi les offres reues. Il peut complter son information en visitant une ou plusieurs des installations cites en rfrence par les constructeurs et en questionnant les exploitants sur les ventuels problmes dexploitation. Ces informations lui permettront de faire raliser le projet dnitif de sa centrale et de prparer le cahier des charges pour lappel doffres concernant lquipement lectromcanique.

4.3

Cahier des charges pour appel doffres

1.

Description gnrale du projet

Extrait ou rsum du projet permettant au fabricant de situer son offre dans le contexte gnral. Localisation gographique, voies daccs.

2.

Donnes hydrauliques

Chute brute Hb, chute nette H et plage des dbits Q de fonctionnement de la turbine sous forme de tabelle : H - Q, dune formule H = Hb - A Q2 ou dun diagramme, courbes Hb, H, Q. Il est galement utile dindiquer le domaine de fonctionnement normal et exceptionnel de la turbine si la chute H est variable pour un dbit donn (remonte du niveau aval en cas de hautes eaux, rservoir).

3.

Donnes du site

Altitudes : de la prise deau et de la centrale En amont de la turbine : canal damene : longueur, section, pente ; conduite force : longueur, diamtre, paisseur paroi, matriau.

106


Joindre ventuellement un prol en long. En aval de la turbine : cote de laxe de la turbine cote du plan deau aval dbit nul dbit nominal lors dune crue Ceci en vue de xer la hauteur daspiration. Joindre un dessin ou croquis du btiment de la centrale avec indication des niveaux, un plan de la chambre deau selon le type de turbine prvu.

4.

Rgimes non stationnaires

Indiquer le coup de blier admissible (par exemple en % de la chute brute, gnralement entre 10 et 25 %, type et longueur de conduite) pour diffrents cas de fonctionnement : dmarrage et arrt normal ; mise en dcharge brusque avec fonctionnement vanne de scurit; mise en dcharge brusque sans vanne de scurit (turbine lemballement).

5.

Liste et limites des fournitures

Par exemple : Position 1 : Position 2 : Position 3 : Position 4 : Position 5 : Position 6 : vanne de scurit automatique tuyau de liaison avec turbine turbine avec aspirateur gnrateur (voir manuel PACER N 724.247.2f Gnrateurs et installations lectriques) montage du groupe options (par exemple volant dinertie)

6.

Spcication position 1 : vanne de scurit automatique (par ex. vanne clapet excentrique) DN eau, huile, lectricit par batterie, par contrepoids, par vrin hydraulique et accumulateur, etc. mail, poxy, autre selon matriau de la vanne

Type dsir : Diamtre nominal : Type de commande : Fonction scurit : Revtement :

107


A joindre loffre par le fournisseur : description et spcications techniques ; liste des matriaux des diffrents composants ; dessin dencombrement, si possible dessin densemble avec coupes et liste de pices.

7.

Spcication position 2 : Tuyau de liaison avec turbine

Diamtre et paisseurs Dimensions et type des brides Matriau et revtement Ces indications sont dnies soit par lingnieur du projet, soit par le fournisseur.

8.

Spcication position 3 : Turbine

A spcier par lingnieur du projet : un ou deux types de turbines; vitesse de rotation prfre (par exemple pour accouplement direct du gnrateur); conditions de fonctionnement : - normales : par ex. en parallle sur le rseau avec rgulation de niveau, - emballement : dure admissible sans dommage pour les machines (par ex. 60 min), - temps minimum de manuvre du distributeur ou du pointeau (pour bonne rgulation du dbit sans dpassement du coup de blier admissible); niveau des vibrations, par exemple : - RMS infrieur 2 mm / s dans toutes les directions (selon norme allemande VDI 2056), - pas de vitesses critiques ou frquences propres entre 0.5 et 2.5 fois la vitesse nominale du groupe, - pas de vibrations ou uctuations de pression induites par effet torche (pour les turbines Francis, hlice, Kaplan, pompes inverses); cavitation : fonctionnement hors cavitation tous dbits ; pression dessai : par exemple 1.5 fois la pression nominale ou selon normes pour conduites; construction : monobloc, accouplement entre turbine et gnrateur ou entranement par courroie plate (ou rducteur).

108


A spcier par lingnieur ou selon proposition du constructeur matriaux : - roue : gnralement acier inoxydable ou bronze daluminium, selon qualit de leau, - distributeur ou pointeau : gnralement acier inoxydable, ventuellement bronze / bronze daluminium, - bche, chssis : gnralement acier inoxydable, acier normal ou fonte avec revtement anticorrosion. Note : la fonte donne les meilleurs rsultats du point de vue isolation phonique et amortissement des vibrations commande de louverture de la turbine: - par vrin ou moteur lectrique, - par groupe et vrin hydraulique; surveillance / contrle / mesures: - ouverture de la turbine : par contact lectrique n de course et/ou par capteur de position (par ex. potentiomtre), - temprature des paliers : sondes lectriques (par ex. Pt 100), - niveau dhuile : indicateur visuel ou sonde lectrique, - pression amont et aval de la turbine par manomtres (recommand : classe de prcision 1 %, prises de pression selon normes CEI ou ISO), - autres selon proposition du constructeur. Documents / informations fournir avec loffre Caractristiques techniques et mcaniques de la turbine, en particulier : vitesse et puissance nominales ; vitesses et dbits demballement ; moment dinertie des masses tournantes ; rendements garantis sur la plage chute / dbit spcie ; courbe dbit ouverture de la turbine. Dessins: dencombrement du groupe avec dimensions utiles pour le gnie civil et le raccordement aux conduites ; dessin densemble de la turbine, vues en coupe montrant les principaux dtails de la construction (roue, paliers, joints, etc.) ; liste des pices principales avec indication des matriaux utiliss spcication protection anticorrosion ; type, lubrication et dure de vie calcule des paliers ; description du systme de rglage du dbit ;

109


pour les turbines Kaplan et Francis, mesures prvues pour supprimer leffet de la torche de cavitation (par exemple injection dair).

9.

Garanties et pnalits

Les garanties demandes au constructeur concernent : valeurs minimales des rendements de la turbine, du gnrateur et du multiplicateur en fonction du dbit ; valeur du dbit maximum ; tenue mcanique du groupe ; rsistance lusure (cavitation) ; rsistance la corrosion. Les dfauts constats seront corrigs directement par le constructeur, qui prendra sa charge les cots des pices et de la mainduvre. Pour pallier au non respect des garanties, des pnalits sont gnralement incluses dans le contrat dachat. Ces pnalits, qui peuvent aller du paiement dune indemnit par le constructeur au matre de louvrage jusquau refus pur et simple de lquipement, sont xes en fonction du manque gagner (perte de production qui rsulte du non-respect des garanties).

10. Essais de rception Les valeurs garanties feront lobjet dune vrication par essais lors de la mise en service de lquipement. Lingnieur en charge du projet doit tre conscient que, sil exige des garanties, il doit aussi tre capable de les vrier. Les mthodes de mesure, en particulier de la pression et du dbit, sont intgrer au projet de la petite centrale. Les normes CEI 41 et ASE 3055.1974 donnent des indications utiles ce sujet. 11. Dlais et conditions de paiement Les dlais de fabrication, montage et mise en service seront indiqus par le fournisseur, ventuellement aprs discussion avec lingnieur. Le cahier des charges pourra mentionner les conditions de paiement et les garanties nancires demandes au fournisseur en cas de versements dacomptes.

110

5. Etude de cas

5. Etude de casSlection de turbines hydrauliques dans le cadre davant-projets

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4

Turbinage du dbit dattrait dune passe poissons Description du projet Donnes du projet But de ltude de cas Slection et caractristiques de la turbine Turbinage de leau potable entre deux rservoirs Description du projet Donnes du projet But de ltude de cas Slection et caractristiques de la turbine Microcentrale hydrolectrique au l de leau avec une chute moyenne Description du projet Donnes But de ltude de cas Dtermination de la chute nette Slection et caractristiques de la turbine Installation basse chute Description du projet Donnes But de ltude de cas Slection et caractristiques de la turbine

112 112 112 114 114 116 116 116 118 118 120 120 120 122 122 123 124 124 124 124 126

111

5. Etude de cas

5.15.1.1

Turbinage du dbit dattrait dune passe poissonsDescription du projet

Une centrale hydraulique de grande puissance doit tre dote dune passe poissons. Celle-ci est conue comme suit : Une chelle poissons par laquelle scoule un dbit denviron 700 l / s. Tenant compte du dbit du cours deau, le dbit de lchelle au point de rejet aval ne provoque pas un remous sufsant pour attirer les poissons dans la passe. Il est donc ncessaire daugmenter le dbit cet endroit par injection dun dbit complmentaire transitant paralllement lchelle poissons, denviron 2000 l / s, dans la dernire chambre. Lnergie hydraulique de ce dbit supplmentaire, dit dbit dattrait, sera rcupre par une petite centrale hydraulique. Le systme propos est reprsent schmatiquement la gure 5.1.

5.1.2 Donnes du projet Chute brute : Hb = 21.0 m 20.0 m 18.0 m (maximum, temps sec) (moyen) (minimum, hautes eaux)

Le niveau amont est constant (rgul par le barrage). Le niveau aval varie en fonction du dbit du cours deau. Dbit dattrait turbin : Q = 2.0 m3 / s pour Hb moyen Conduite force : Longueur : L = 200 m Diamtre : D = 1000 mm

Calcul des pertes de charge Formule de Strickler : HL = v2 L / (K2 Rh4 / 3) (m) Avec : v = vitesse dcoulement (m / s) L = longueur conduite (m) K = coefcient de rugosit = 75 m1 / 3 / s Rh = D / 4 = rayon hydraulique

112

5. Etude de cas

lac niveau constant

prise deau barrage

conduite force

dbit dattrait Q = 2000 l/s

passe poissons Q = 700 l/s

PCH

centrale hydrolectrique

2,7 m3/s

dernire chambre

cours deau aval

Figure 5.1: Passe poissons avec turbinage dun dbit dattrait

113

5. Etude de cas

Implantation de la turbine : 0.5 m au-dessus du niveau deau aval maximum Temprature de leau : maximum 20C Altitude du site : 500 m

5.1.3

But de ltude de cas

Dterminer le type et les caractristiques principales de la turbine la mieux adapte ce site. Quelle sera approximativement la production annuelle dlectricit (rendement de la gnratrice g = 95 %).

5.1.4

Slection et caractristiques de la turbine

Calcul de la chute nette H Dbit Q = 2.0 m3 / s Vitesse dcoulement : v = Q. 4 / D2 = 2.55 m / s Pertes de charge calcules selon 5.1.2 : HL = 1.47 m Chute brute : Hb = min. 18.0 Perte de charge : HL = min. 1.47 Chute nette : H = min. 16.53

moyen 20.0

max. 21.0

[m]

moyen 1.47

max. 1.47

[m]

moyen 18.53

max. 19.53 [m]

Puissance hydraulique Phyd = 9.81 2 18.53 = 364 kW Type de turbine : Diagramme, page 89 : Francis ou Crossow ou le dbit tant constant, page 91 : pompe inverse Rendement probable (page 93) : Francis : = 90 % Crossow : = 84 % Pompe inverse : = 90 % (page 14)

114

5. Etude de cas

Hauteur daspiration Hbmin : Hs = 0.5 m (donne) Hbmoyen : Hs = 0.5 m + Hbmoyen - Hbmin = 2.5 m Hbmax : Hs = 0.5 m + Hbmax - Hbmin = 3.5 m

Perte de chute pour la turbine Crossow (page 97) : 0.3 Hs = 0.75 m pour Hs = 2,5 m (moyen) Chute nette turbine Crossow : Hmoyen = 18.53 - 0.75 = 17.78 m do une perte de 17.78 / 18.53 = 0.96 : 4 % Le rendement effectif de la turbine Crossow sera de : 84 - 4 = 80 % Page 93, la PCH travaille dbit constant, seul le rendement maximum est important do turbine recommande : Francis aubes directrices xes ou pompe inverse double ux Vitesse de rotation de la turbine Francis Coefcient de cavitation = (Ha - Hv - Hs) / H (pages 72 / 73) Ha = 9.50 m (altitude 500 m) Hv = 0.24 m (temprature 20) pour: Hmax et Hsmax : = (9.5 - 0.24 - 3.5) / 19.53 = 0.30

Diagramme page 99 : = 0.3 vitesse spcique nq = 100 Diagramme page 95 : H = 18.53 Q = 2.0 m3 / s nq = 100 = n Q1/2 / H3/4 Vitesse de rotation: n = nq H3/4 / Q1/2 = 631 t / min

Une vitesse plus basse peut tre adopte (nq et deviennent plus petit, donc Hs admissible plus grand). La vitesse synchrone la plus proche qui permette lentranement direct du gnrateur par la turbine est : n = 600 t / min. Production dnergie Puissance larbre : Pmec = 0.9 x 364 kW = 328 kW (page 16)

Puissance lectrique : Pel = g. Pmec = 0.95 328 = 311 kW Production annuelle : 8760 heures / anne donnent 2 725 000 kWh

115

5. Etude de cas

5.25.2.1

Turbinage de leau potable entre deux rservoirsDescription du projet

Deux rservoirs deau potable distants de 5 km sont relis par une conduite dadduction. Lnergie hydraulique est dtruite lentre du rservoir infrieur laide dune vanne de rgulation qui maintient une pression amont minimale an que la conduite reste en permanence en charge. Le dbit de ladduction varie en fonction de la consommation deau prleve dans le rservoir infrieur pour la distribution dans un rseau en aval. Le rservoir suprieur est aliment par pompage dans une nappe phratique. Le matre de louvrage se propose de remplacer la vanne de rgulation par une turbine et transformer lnergie actuellement dissipe en lectricit.

5.2.2

Donnes du projet 1000 m3 2500 m3 5000 m Hb = 100 m DN 300 mm fonte, rugosit admise selon Strickler k = 90

Volume du rservoir suprieur : Volume du rservoir infrieur : Distance entre les rservoirs : Dnivellation (chute brute) : Diamtre de la conduite : Matriau de la conduite :

Calcul des pertes de charge : voir 5.1.2 Pression minimale maintenue en amont de la vanne de rgulation pour garantir la pression aux consommateurs connects la conduite dadduction : Ha = 75 m Consommation du rseau en aval du rservoir infrieur : t : moyenne 5000 m3 / jour (6 mois) hiver : moyenne 4000 m3 / jour (6 mois) Le schma de ladduction est prsent la gure 5.2.2

116

5. Etude de cas

P

1000 m3

pompe

rservoir amont

consommateurs et dfense incendie pris sur ladduction

conduite dadduction L = 5 km DN 300 mm

vanne de rgulation existante Ha = 75 m

turbine (projet)

2500 m3

rseau de distribution et dfense incendie

rservoir aval

Figure 5.2.2: Turbinage de leau potable entre deux rservoirs

117

5. Etude de cas

5.2.3

But de ltude de cas

Dterminer le type et les caractristiques de la turbine la mieux adapte ce site du point de vue technique et conomique. Indiquer galement ses conditions dexploitation et quelle sera approximativement la production annuelle dlectricit (rendement de la gnratrice g = 90 %).

5.2.4

Slection et caractristiques de la turbine pression lamont de la turbine = constante = 75 m donc : H = 75 m HL = Hb - H = 100-75 = 25 m L = 5000 m diamtre : DN 300 5m

Donne : Perte de charge de la conduite : Longueur de la conduite : Perte par 1000 m de la conduite :

Formule de Strickler : HL / L = v2 / (K2 Rh4 / 3) HL / L = 5 / 1000 K = 90 Rh = D / 4 = 0.075 m K2 Rh4 / 3 = 256 v = (0.005 256)1 / 2 = 1.13 Q = v . . D2 / 4 = 1.13 . . (0.3) 2 / 4 = 0.080 m3 / s = 80 l / s = 288 m3 / h Type de turbine : (page 89) (page 91) Pelton, Francis Pompe inverse mono- ou multitages

Types possibles de fonctionnement : a) Turbine Pelton ou Francis rgles pour maintenir la pression amont constante en variant le dbit par un rgulateur (solution la plus coteuse). b) Pompe inverse travaillant dbit xe par intermittence en utilisant le volume tampon des rservoirs, tant donn que ces derniers sont trs grands (solution la plus conomique).

118

5. Etude de cas

Production nergtique de la pompe inverse Et : 5000 m3 / 288 m3 / h : Hiver : 4000 m3 / 288 m3 / h : 17.4 h / jour x 180 jours = 3125 h 13.9 h / jour x 180 jours = 2500 h par anne 5625 h

Rendement de la pompe inverse (page 93) : t = 0.80 = 80 % Pmec = 9.81 x 75 x 0.080 x 0.8 = 47 kW Pel = g Pmec = 0.9 x 47 = 42.4 kW Production dnergie : 42.4 x 5625 = 239 000 kWh / anne

119

5. Etude de cas

5.35.3.1

Microcentrale hydrolectrique au l de leau avec une chute moyenneDescription du projet

Une petite centrale est projete dans les pralpes dun pays doutremer. Le rgime hydrologique est caractris par les conditions suivantes : 3 4 mois de grands dbits dus la fonte des neiges; 8 9 mois de rgime dtiage, entrecoup par de courtes priodes de hautes eaux dues des orages, avec des variations rapides du dbit. Le site est loign des centres, et le matre de louvrage ne dsire quun groupe de machine pour des raisons de simplicit.

5.3.2

Donnes

Chute brute : Hb = 55 m. Puissance maximum aux bornes du gnrateur limite Pel = 200kW tenant compte de la capacit des lignes lectriques existantes et disponibles pour vacuer llectricit produite (admettre rendement gnrateur g = 90 %). Dbit net disposition dans le cours deau suprieur 1.0 m3 / s durant 100 jours / anne; compris entre 80 et 120 l / s durant 200 jours / anne; compris entre 200 et 300 l / s durant 60 jours / anne. Pour tenir compte des uctuations du plan deau aval en cas de crue, la turbine sera place 3.0 m au-dessus du niveau dtiage. La microcentrale est prsente schmatiquement la gure 5.3.2. Longueur de la conduite force : L = 200 m. Matriau de la conduite : acier non trait, rugosit selon Strickler K = 75. Calcul des pertes de charge voir 5.1.2. Altitude du site : 1000 m. Temprature de leau : max. 8.

120

5. Etude de cas

prise deau

conduite force L = 200 m D=?

centrale

T 3.0 m max.

Figure 5.3.2: Microcentrale hydrolectrique au l de leau avec une chute moyenne

121

5. Etude de cas

5.3.3

But de ltude de cas

Dterminer la chute nette et proposer le diamtre de la conduite force. Dterminer les caractristiques de la turbine (chute nette, dbits minimum et maximum). Dterminer le type de la turbine en indiquant sa vitesse de rotation. Estimer la production annuelle dlectricit.

5.3.4

Dtermination de la chute nette

Puissance lectrique : Pel = 200 kW Puissance mcanique : Pmec = 200 / 0.9 = 222 kW (g = 90 %) Puissance hydraulique : Phyd = 222 / 0.8 = 278 kW (t admis 80 %). Dbit : Q = Phyd / gH = 278000 / (1000 9.81 50) = 0.567 m3 / s en premire approximation en admettant 10 % de perte de charge (H = 55-5 = 50 m). En admettant HL = 0.1 Hb = env. 5 m pour longueur conduite L = 200 m pour L = 1000 m HL = env. 25 m. La conduite choisie devrait donner des pertes de charge du mme ordre de grandeur. Pertes de charge selon Strickler HL / L = v2 / (K2 Rh4 / 3) avec K = 75. Conduite DN 400 mm avec Q = 0.567 m3 / s v = 4.5 m / s Rh = 0.1 m HL / L = 0.077 = 77 / 1000. Les pertes de charge sont trop leves. Conduite DN 500 mm v = 2.89 m / s Rh = 0.125 m HL/ L = 0.024 = 24 / 1000. Choix DN 500 perte de charge chute nette

HL = 4.8m H = 55 - 4.8 = 50.2 m.

122

5. Etude de cas

5.3.5


Dbit de la turbine H = 50 m Q = 200 / (0,8 0,9 9,81 50) = 0.565 m3 / s Slection du type de turbine Dbit variable : pompe inverse exclue possible : turbine Francis ou Crossow (page 89) page 93 : dbits trs variables, courbe 1 turbine Crossow Site loign : problmes maintenance, turbine simple Crossow (page 52). Hauteur daspiration max. : Hsmax = 3.0m turbine Crossow admise La turbine Francis peut tre considre, mais elle sera arrte 200 jours / anne (dbits dtiage) (80 - 120 l / s = 15 - 22 % de Qmax, voir page 93).

Estimation de la puissance lectrique de la turbine CrossowHb HL H (m) 50.2 54.0 54.9 Q (m3 / s) 0.55 0.25 0.1 Q / Qmax / max t % 100 45 18 100 98 88 0.8 0.78 0.70 0.9 0.9 0.85 0.72 0.70 0.60 g Pel (kW) 201 92.5 32

(m) (m) (1) 55 (2) 55 (3) 55 4.8 1.0 0.1

Estimation de la production lectrique Jours (1) (2) (3) 100 60 200 Heures 2400 1440 4800 Puissance (kW) 201 92.5 32 Total Production (kWh) 482000 133000 154000 769 000 kWh / anne

123

5. Etude de cas

5.45.4.1

Installation basse chuteDescription du projet

Le matre de louvrage dsire raliser une petite centrale hydrolectrique basse chute sur un barrage plac lextrmit dun petit lac dont le niveau est maintenu constant par des vannes. La turbine reprendra la fonction de rglage des vannes, ces dernires restant disposition pour le cas o la machine serait temporairement hors service. Le projet devrait tre ralis avec un minimum de travaux de gnie civil, le lac ne pouvant pas tre vid durant la priode des travaux. Deux coupes travers le barrage sont prsentes la gure 5.4.1.

5.4.2

Donnes

Niveau amont : constant Niveau aval : variable en fonction du dbit Chute brute : Hb = 3.0 m maximum (tiage) Hb = 2.8 m moyen Hb = 2.5 m minimum Dbits turbiner : Q = 2.0 m3 / s (maximum) Q = 0.5 m3 / s (minimum) Q = 1.5 m3 / s (moyen)

150 jours / anne 50 jours / anne 100 jours / anne

Temprature de leau en t : T = 24C. Altitude du site : 500 m.

5.4.3

But de ltude de cas

Proposer lemplacement et la disposition de la turbine pour un minimum de travaux de gnie civil. Proposer un type de turbine et en indiquer ses caractristiques (chutes, dbits, vitesse de rotation). Proposer une disposition turbine-gnrateur. Estimer la production lectrique de la petite centrale.

124

5. Etude de cas

Coupe lemplacement des vannes

niveau amont constant vannes de rgulation

Hb

lac

niveau aval variable cours deau

barrage

Coupe lemplacement de la turbine

lac

Figure 5.4.1: Microcentrale hydraulique basse chute

125

5. Etude de cas

5.4.4


Conduite courte : Hb = H Hmoyen = 2.8 m Qmoyen = 1.5 m3 / s Page 89 : turbine Kaplan

Implantation Page 101 : minimum de gnie civil : en siphon Contrle de la cavitation hypothse : axe machine 1 m sur barrage Hs = 1 + Hbmoyen = 3.8 m = (Ha - Hv - Hs) / H Ha = 9.5 m Hv = 0.3m = (9.5 - 0.3 - 3.8) / 2.8 = 2.0 Diagramme : = 2.0 nq = 300 ou moins Page 99 : Alt. 500 m : Temp. 24:

Vitesse de rotation turbine Page 95 : n = 428 t / min ou moins

Disposition La vitesse de rotation est faible Multiplicateur courroie ou engrenages (page 103)

Puissance lectriqueH (m) (1) (2) (3) 2.5 2.8 3.0 Q (m3/s) 2.0 1.5 0.5 100% 75% 25% Q/Qmax /max % 95 100 92 0.83 0.87 0.80 0.9 0.9 0.85 0.75 0.78 0.68 t g Pel (kW) 37 32 10

Note: Il convient de tenir compte du rendement de la transmission (95-98%), ce qui rduira les puissances indiques ci-dessus de 2 5%.

126

5. Etude de cas

Production Jours (1) (2) (3) 150 100 50 Heures 3600 2400 1200 Puissance (kW) 37 32 10 Total Production (kW) 133 000 77 000 12 000 222 000 kWh/anne

127

Bibliographie

Bibliographie

Ouvrages de rfrence Arter, A. et al. : Hydraulics Engineering Manual, SKAT Bookshop, St-Gall, 1990, ISBN 3-908001-13-7 Bohl, W. : Strmungsmaschinen 2, Berechnung und Konstruktion, Vogel Buchverlag, Wrzburg, 1986, ISBN 3-8023-0127-7 Chapallaz J.-M. et al. : Petites centrales hydrauliques, OFQC, ISBN 3-905232-20-0 Chapallaz J.-M. et al. : Manual on Pumps used as Turbines, GATE / GTZ Deutsches Zentrum fr Entwicklungstechnologien, 1992, ISBN 3-528-02069-5 Graeser, J.E. et al. : Installations hydrolectriques de petites puissances, IMHEF / EPFL, Lausanne, 1981 Henry, P. : Turbo-machines hydrauliques, Cours EPFL / Section Electricit, IMHEF, 1994 Morand, P.J. et al. : Les petits amnagements hydrolectriques, Socit Hydrotechnique de France, Paris, ISBN 2-906821-08-5 Kleinwasserkraftwerke in der Schweiz, Teil I, 1983, Bundesamt fr Wasserwirtschaft Plfy S.O. et al. : Wasserkraftanlagen, Klein- und Kleinstkraftwerke, Expert-Verlag, Ehningn / Bblingen, 1992, ISBN 3-8169-0651-6 Ribaux, A. : Hydraulique applique II Machines hydrauliques, Hydraulique applique III Turbo-machines, Editions de la Moraine, Genve Vivier, L. : Turbines hydrauliques et leur rgulation, Ed. Albin Michel, Paris, 1966

NormesCEI Commission lectrique internationale 3 rue de Varemb, Case postale, 1211 Genve 20 Tl. : 022 / 919 / 02 / 11

129

Bibliographie

Essais de rception sur place des turbines hydrauliques, pompes daccumulation et de pompes-turbines en vue de dterminer leurs performances, N de rfrence CEI/IEC 41, 1991 Guide pour lquipement lectromcanique des petits amnagements hydrolectriques, N de rfrence CEI/IEC 1116, 1992

ASE Association suisse des lectriciens, Seefeldstrasse 301, case postale, 8034 Zurich Tl. 01 / 956 / 11 / 11 Rgles suisses pour les machines hydrauliques (turbines hydrauliques, pompes daccumulation, pompes turbines). Publication ASE 3055, 1974, N de rfrence 413 055. Guide pratique pour la rception, lexploitation et lentretien des turbines hydrauliques. Publication ASE 3331, 1979, N de rfrence 413 331. Evaluation de lrosion de cavitation dans les turbines, les pompes daccumulation et les pompes turbines hydrauliques. Publication ASE 3429, 1980, N de rfrence 413 429

Fabricants de turbinesUne liste avec adresses peut tre obtenue auprs de: SKAT Centre suisse pour la technologie approprie Vadianstrasse 42 9000 St-Gall Tl.: 071 / 237 / 74 / 75 ESHA European Small Hydropower Association 50, rue du Taciturne B-1040 Bruxelles Tl. 0032 / 22 / 31 / 10 / 94 La revue Water Power & Dam Construction, dition juin 89, a publi une liste mondiale des fabricants intitule Small hydro turbine survey 1989 Cette revue peut tre consulte chez: IMHEF Institut des machines hydrauliques et de mcanique des uides Avenue de Cour 33 1007 Lausanne Tl.: 021 / 693 / 25 / 05

130

Associations de soutienACS ADER ADUR ARPEA ASE / ETG ASPEE INFOENERGIE OFEL PROMES SIA SMSR SSIGE UCS UTS UVS Association des communes suisses Association pour le dveloppement des nergies renouvelables Association des usiniers romands Association romande pour la protection des eaux et de lair Socit pour les techniques de lnergie de lASE Association suisse des professionnels de lpuration des eaux Centre de conseils Ofce dlectricit de la Suisse romande Association des professionnels romands de lnergie solaire Socit suisse des ingnieurs et des architectes Socit des meuniers de la Suisse romande Socit suisse de lindustrie du gaz et des eaux Union des centrales suisses dlectricit Union technique suisse Union des villes suisses

724.247.1 f Turbines hydrauliques 724.247.2 f Gnrateurs et installations lectriques 724.247.3 f Rgulation et scurit dexploitation 724.247.4 f Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine

ISBN 3-905232-54-5 ISBN 3-905232-55-3 ISBN 3-905232-56-1 ISBN 3-905232-57-X