Introduction: Le captage de l`énergie hydraulique présente un intérêt

http://www.heliciel.com/helice/turbines%20hydraulique/turbine%20hydraulique%201%20%20helice%20bulbe%20k
aplan.htm
Introduction:
Le captage de l'énergie hydraulique présente un intérêt pédagogique en soi, par les exemples d' inventivité
et de créativité développé par l' homme pour s' adapter a son univers. Les principes et phénomènes
physiques apprivoisés au cours des siècles ont donné naissance aux systèmes actuels de production
d'énergie les plus modernes. Dans la course a l'énergie propre, la réalisation d'une turbine hydraulique
reste un moyen d' accéder à une production d'énergie qui peut être localisée et dimensionnée en parfaite
harmonie avec son site naturel. Mais la rentabilité du projet impose une méthode de conception raisonnée
des organes du système hydraulique. De nombreux sites de petites puissances sont délaissés car la
conception des turbines fait appel à des méthodes de calculs techniques qui peuvent décourager les
entrepreneurs.
Bien que la littérature soit riche en ce domaine, elle reste réservée à un public mathématicien. Pourtant la
mathématique n'est qu 'un reflet inspiré des phénomènes physiques observés, il doit donc être possible de
les décrire en langage naturel. Les calculs et théories restent incontournable pour concevoir le système,
nous utiliserons donc 2 outils logiciels économiques , Mecaflux et Heliciel, qui prennent en charge la partie
purement mathématique. Nous pouvons ainsi rester concentré sur une vision globale des phénomènes
physiques produisant les transformations d'énergie. Cet article propose donc, une méthode complète et
des outils de conception, dont l' ambition est de mettre à la portée de chacun la conception d'une hélice et
des différents organes d' une mini centrale hydraulique.
Objectif de cet article:
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Proposer une méthode accessible, basée notamment sur la théorie de conception des hélices.
Cette approche méthodique est originale, car en utilisant la théorie des hélices, elle permet de
dimensionner l' ensemble des organes pour obtenir un rendement optimum, d'apres le cahier des
charges.
Proposer des outils logiciel économiques permettant l' ensemble des calculs et la réalisation des
formes 3D des pales d'hélice de la turbine , sans manipuler d' équations complexes: conception
d'hélice (Heliciel) et calcul de pertes de charge (mecaflux).
Accompagner le constructeur ingénieux, et pas obligatoirement ingénieur, vers la maîtrise de la
conception des organes d'un système de turbine efficace grâce a un didacticiel exemple.
Cet article reste ouvert et s' enrichira avec bonheur de votre contribution ([email protected]_)
Les bases mathématiques minimum nécessaires à la compréhension de la suite ont été regroupées sur
une page qui pourra être consultée en parallèle comme aide mémoire: Petit rappel sur la relation
Puissance , Energie , Travail, Débit.
Sommaire:
1. Partie 1: Description des paramètres et organes de fonctionnement d'un système de turbine.
o Les types de turbines.
o La puissance hydraulique du site et la puissance produite.
o les 3 organes principaux du système de captage et leur fonction.
2. Partie 2: La relation distributeur et helice
o Récupérer l'énergie cinétique du débit.
o Récupérer l'énergie de pression de hauteur.
3. Partie 3:La méthode de conception de l'hélice de captage hydraulique
o Règles de base
o Capter l'énergie
4. Partie 4: Didacticiel de conception d'un système de turbine.
o 1: Puissance du site.
o 2: Conception de l'hélice
o 3: Conception du distributeur
o 4: Vitesses , pressions et sections dans le système
1: Partie1 Description des paramètres et organes de fonctionnement d'un système de turbine.
Les types de turbines:Le captage de l'énergie de l'eau prend des formes diverses pour s' adapter à a la
puissance disponible du site. Les paramètres déterminants de l' installation hydroélectrique étant la hauteur
de chute et le débit, on distingue 2 types de turbines qui différent suivant ces paramètres:
Les turbines à action qui fonctionnent uniquement avec l'énergie cinétique du fluide(energie de vitesse) a
pression ambiante, comme la turbine Pelton adaptée au grande hauteur de chutes et faibles débits, ou la
turbine CROSSFLOW:
Les turbines à réaction qui combinent l'énergie cinétique (de vitesse) et l'énergie de pression (différence de
pression entre l' entrée et la sortie d'une turbine dans une conduite de fluide) : la turbine Francis est
adaptée au hauteurs et vitesses moyennes, la turbine Kaplan ou hélice qui est adaptée aux faibles chutes
et fort débits
Le site Héliciel est dédié à la conception des hélices, donc seulement la conception des turbines de types
bulbes, straflo, Kaplan ou hélice, qui utilisent des hélices pour transformer la puissance hydraulique en
puissance mécanique, sera détaillée.
La puissance hydraulique du site et la puissance produite:
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.
P(brute)= Q(m/s) x H(m) X ρ(kg/m3) x g(m/sec²)
avec :
ρ masse volumique de l'eau en kg/m3
g accélération de la pesanteur en m/s2
Q débit turbiné en m3/s
H chute en m
Expliquons ici la notion de chute brute et chute nette:
Lors de son déplacement dans la conduite allant du bassin amont au bassin aval, le fluide va subir des
frottements et rencontrer des obstacles qui vont diminuer son énergie. Cette perte d'énergie dans les
conduites est nommée perte de charge et s' exprime en mètres. La perte de charge représente l'énergie
perdue dans les conduites. Cette perte diminue la puissance hydraulique comme si la hauteur de chute
était plus faible:
Hauteur chute brute (mètres)= dénivelé bassin amont bassin aval.
Hauteur chute nette (mètres)= dénivelé bassin amont bassin aval - pertes de charges.(les pertes de
charges seront calculées simplement avec le logiciel de calcul de pertes de charge MECAFLUX.
nous distinguerons donc la puissance nette et la puissance brute suivant la hauteur de chute(nette ou
brute) prise en compte dans la formule de calcul de puissance du site:P(w)= Q(m/s) x H(m) X ρ(kg/m3) x
g(m/sec²)
La relation vitesse, pression, altitude:
la vitesse axiale du fluide (parallèle a l'axe de rotation) dans notre hélice serait calculée suivant le débit par
la relation:
V(m/sec)=Q(m3/sec) / S(m²)
Avec:
V: vitesse fluide traversant l'hélice(m/sec)
S:Section balayée par l'hélice(m²)
Q: débit volumique (m3/sec)
En traversant notre hélice le fluide va transmettre de son énergie à l'arbre d'hélice grâce à la dépression
générée par les pales. Cette énergie perdue par le fluide se traduira par une perte de vitesse et de
pression entre l' amont et l' aval de l'hélice. Pour un débit de fonctionnement donné, il faudra donc une
pression en amont de l'hélice, supérieure a la pression absorbée par l'hélice. Il faut donc que la chute nette
au débit de fonctionnement soit suffisante pour compenser le delta de pression généré par l'hélice. (nous
négligerons pour l' instant l' effet de l' aspirateur ou du diffuseur)
Quelle puissance allons nous obtenir ?
Pour obtenir de l'énergie électrique nous devrons d' abord transformer notre puissance hydraulique en
puissance mécanique sur l'arbre d'hélice, et ensuite en puissance électrique en utilisant un générateur. Les
organes effectuant ces transformations n'etant pas parfaits, il provoqueront des pertes d'énergie.

Le passage de l'énergie hydraulique à l'énergie mécanique détermine les organes de notre
centrale hydraulique. Nous détaillerons plus loin la conception de ces organes. Le
rendement de la turbine est le rapport entre l'énergie hydraulique captée et l'énergie
mécanique transformée.
o Rendement turbine = Puissance mécanique(w) / puissance hydraulique (w)

Le générateur effectue la conversion d'énergie mécanique en energie électrique (en
watts).Le rendement du générateur est le rapport entre l'énergie mécanique sur son arbre et
l'énergie électrique produite.
o Rendement générateur = Puissance électrique délivrée(w) / Puissance
mécanique(w)

Le rendement global du système est le rapport entre l'énergie hydraulique du site et l'énergie
électrique fournie.
o Rendement global = Puissance électrique délivrée(w) / puissance hydraulique
(w)
Présentation rapide des 3 organes principaux du système de captage:.
Nous distinguerons donc 3 organes principaux: "Helice, Distributeur, Aspirateur" réalisant la
transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique:
1: L'hélice, ou turbine: C'est la partie tournant sur l'arbre qui convertit l'énergie du fluide en énergie
mécanique.
L'hélice, grâce à la forme de ses pales, transforme l'énergie cinétique (énergie de vitesse) du courant de
fluide en énergie mécanique. Si l'hélice captait toute l'énergie cinétique du fluide, le fluide n'aurait plus de
vitesse en sortant de l'hélice. Ceci impliquerait que, privé de tous mouvements, le fluide s' accumulerait et
boucherait la sortie de l'hélice. Il faut donc laisser un peu d'énergie de vitesse au fluide pour qu'il circule.
Cette énergie laissée au fluide, limite donc le rendement a un maximum : la limite de Betz (voir théorie
froude captage), soit un rendement maximum de 0.6. Ceci signifie que notre hélice ne pourra, dans le
meilleur des cas, récupérer que 0.6 fois l'énergie du fluide, et ceci uniquement si l' orientation de ses pales
forme un angle d'incidence optimum avec le fluide.
Pourtant on parle de turbines hydrauliques offrant des rendements avoisinant les 0.8 voir 0.9, alors d' ou
vient cette différence? Le fait que le fluide soit en conduite, nous donne la possibilité de contrôler les
vitesses, pressions et directions du fluide grâce à des organes qui récupèrent une partie de l'énergie que
ne peut pas capter l' hélice, soit environ 0.4 fois l'énergie du fluide totale. Il faut distinguer le rendement de
l'hélice seule (0.6 max), du rendement du système global "Distributeur + Helice + Aspirateur" qui peut
atteindre 0.9
2:Le distributeur: C'est une couronne d' ailettes profilées mobiles, qui dirigent le fluide et contrôle sa mise
en rotation (composante tangentielle de la vitesse du fluide) suivant son degré d' ouverture.Le distributeur
peut aussi servir de vanne de régulation du débit.
Distributeurs des turbines bulbes:
Le distributeur de turbines Kaplan est généralement placé au centre d'une volute favorisant la formation du
tourbillon et assurant la répartition régulière du débit tout autour du distributeur.
Les ailettes du distributeur de type couronne (bulbes) assurent totalement la mise en rotation du flux alors
que les distributeurs intégrés dans une volute complètent le travail de la volute qui met déjà le flux en
rotation.La déviation provoquée par les ailettes est source de perte de charge, elle doit donc être minimum.
Une forte déviation implique le choix d'un distributeur de type kaplan.
3: Le diffuseur ou aspirateur: Ce cône divergent génère une dépression en utilisant la vitesse restante en
sortie d'hélice .cette dépression générée en sortie d'hélice permet d' augmenter la mise en rotation du
tourbillon d'entrée généré par le distributeur. Nous expliquons sa conception a la fin du didacticiel, dans le
chapitre "Conception du diffuseur"
Suite: Apres cette brève présentation des organes principaux d'un turbine hydroélectrique, voyons
comment dimensionner ces organes et évaluer les performances de notre site: méthode de calcul