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Auteur(s)
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Louis Raphaël EREMEEF : Ancien ingénieur expert au centre de technologie de la société Alstom power hydro
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans cet article nous n’examinerons que les aspects hydrauliques du fonctionnement de la turbomachine. D’autres aspects concernant la mécanique ou la régulation ont déjà été abordés dans certains articles de la collection (Turbines hydrauliques- Description et évolution par exemple). La nature tridimensionnelle, instationnaire et visqueuse de l'écoulement ne peut être abordée uniquement par le calcul. De nombreux essais sur modèle réduit sont nécessaires pour connaître au mieux les phénomènes hydrauliques mis en jeu dans la machine prototype. Nous passerons successivement en revue les points suivants :
-
calcul du rendement et de la puissance délivrée par la roue ;
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étude du comportement à la cavitation des aubes de la roue ;
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prévision des instabilités de l’écoulement dans la machine industrielle.
Un exemple de fissuration rencontrée sur une roue d’une centrale de basse chute montrera que les problèmes industriels restent encore d'actualité.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de janv. 2009 par Louis Raphaël EREMEEF
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Rappels concernant la similitude1. Contexte
La roue d’une machine hydraulique est toujours conçue spécialement pour l’aménagement auquel elle est destinée car c’est l’élément qui le premier transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique sur l’arbre de la turbine.
Chaque site présente des caractéristiques qui lui sont propres en ce qui concerne l’énergie disponible E, ou chute nette H = E /g, et le débit exploitable. Cette diversité conduit à développer des tracés de roue différents pour chaque aménagement et c’est en ce sens que l’on parle de roue prototype pour la machine industrielle parce qu’en général cette roue sera le spécimen unique adapté au site considéré.
Le terme de chute est encore très utilisé dans le langage courant. Sur prototype, la chute varie entre une valeur maximale et une valeur minimale en passant par une chute que l’on rencontre le plus fréquemment appelée chute nominale. Sous la chute nominale, on définit la puissance nominale (respectivement le débit nominal) qui est la puissance maximale délivrée par la turbine. Dans ce cas précis, on parle aussi de puissance dix dixième ou de puissance de pleine charge.
Pour illustrer notre propos, nous avons choisi de prendre comme exemple une turbine Francis, machine très répandue dans le monde, qui peut fonctionner dans des gammes de chutes très étendues (quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres). La centrale hydraulique retenue est la centrale de Chute des Passes située dans la province du Québec. Elle est équipée de plusieurs roues de 3,556 m de diamètre de sortie fonctionnant sous une chute nominale de 174 m. La variation de chute ou marnage est de 24 m (avec une chute maximale de 185 m et une chute minimale de 161 m).
À l’occasion de la réhabilitation de la centrale, un nouveau tracé de roue a été développé par la société Alstom Grenoble et a fait l’objet d’un essai préliminaire sur modèle réduit à l’institut de machines hydrauliques et de mécanique des fluides de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne pour le compte de la société Sécal. Les illustrations de cet article sont issues du rapport d’essai rédigé par la société Alstom avec les résultats obtenus au laboratoire d’hydraulique de Lausanne.
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