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Turbinage des eaux potables : Critères de choix et dimensionnement des

équipements

Vincent DENISIng. EPFL-SIA

Atelier de formation TURBEAU14 janvier 2011

Puissance d'une machine hydraulique

ρQ = débit-masse [kg/s]ρ = masse volumique de l'eau [kg/m3]Q = débit-volume [m3/s]gH = énergie massique [J/kg]g = Accélération de la pesanteur [m/s2]H = "hauteur de chute nette" [m]η = rendement énergétique de la turbine [-]

ηρ ⋅⋅= gHQP

Energie hydraulique massique

( ) ( ) ( )2122

2121 zzgcc2

1ppρ1gH −⋅+−+−⋅=

gH = énergie massique [J/kg]ρ = masse volumique de l'eau

[kg/m3]px = pression à la section de mesure

[Pa]cx = vitesse de l'eau dans la section de

mesure [m/s]g = Accélération de la pesanteur

[m/s2]zx = altitude de la section de mesure

[m]

Puissance électrique d’une installation hydraulique (formule « simplifiée »)

avec : Pél = Puissance électrique [W]ρ = masse volumique de l'eau [kg/m3]Q = débit-volume [m3/s]g = accélération de la pesanteur [m/s2]ΔZ = dénivellation exploitable [m]ηc = rendement de la conduite ≥ 90% [-]ηt = rendement de la turbine 89% ≤ ht ≤ 94 % [-]ηe = rendement de l’alternateur ≥ 92 % [-]ηtr = rendement du transformateur ≥ 97 % [-]

tretcel ZgQP ηηηηρ ××××Δ×××=

Turbines hydrauliques

• Turbine hydraulique = moteur convertissant l’énergie hydraulique massique de l’eau en énergie mécanique

• Turbines à réaction : Turbines transformant l’énergie de pression et l’énergie cinétique en énergie mécanique. Sa roue est entièrement immergée et son bâti doit être capable de supporter la pression de service.

• Turbines à action : Turbines dans lesquelles toute l’énergie hydraulique massique est transformée en énergie cinétique avant d’entrer en contact avec la roue. Celle-ci est entièrement dénoyée.

Turbines à action

Turbines PeltonΔZ : dès 60 m

Débits « faibles »

De 1 à 6 injecteurs

Grande flexibilité relativement aux variations de débit

Rendement élevé

Bonne protection contre les coups de béliers

Turbines à action

Turbines Turgo

ΔZ : de 50 à 250 m

Débits « moyens »


Rendement moyen

Bonne protection contre les coups de béliers

aiguille

jet d'eau

aubes de roue

Turbines à action

Turbines à flux traversantΔZ : de 5 à 200 m



Rendement faible

Fragilité mécanique

Utilisée à tort pour les basses chutes

aubes

écoulement d'eau

distributeur

roue

9

Turbines à réaction

Turbines FrancisΔZ : de 25 à 350 m


Faible flexibilité relativement aux variations de débit

Rendement élevé

Roue à aubes fixes

Récupération de l’énergie cinétique restante en sortie de roue importante

10


Turbines diagonalesΔZ : de 25 à 100 m



Rendement élevé

Roue à aubes mobiles



Turbines Kaplan et hélicesΔZ : de 2 à 40 m

Débits « élevés »

Forte flexibilité relativement aux variations de débit et de chute (Kaplan)

Rendement élevé

Roue à aubes mobiles (Kaplan) ou fixes (hélice)


Turbines pour applications particulières

• Pompe inversée pour débits fixes ou travail en éclusée.

• Exécution spéciale• Rendement médiocre <

82%

• Pelton en contrepression

• Rendement identiqueà celui d’une Pelton

Problématique de la perte de charge dans une conduite forcée

•La perte de charge est une perte de pression due aux frottements et aux singularités de l’écoulement.

•La perte d’énergie dans une conduite forcée est inversement proportionnelle à la puissance cinquième de son diamètre.

•La perte de charge n’est pas une fatalité. Elle peut être réduite par le choix judicieux du diamètre de la conduite forcée.

•Le choix du diamètre d’une conduite forcée doit faire l’objet d’une étude technico‐économique.

•20 % d’augmentation de diamètre conduisent à 60% de réduction de la perte de charge.

Le choix de la conduite, un élément déterminant

Conduite d’assainissement ou d’adduction

Conduite forcé pour le turbinage

Ecoulement libre => pas de mise en pression ou

Grand diamètre = faible perte de pression

Puissance maximum, donc grande production

Fonctionnement optimal de la turbine (faible variation de pression en fonction du débit,

Coût élevé, mais amorti par le gain de production.

Ecoulement semi‐forcé => brises charges ouPetit diamètre = grande perte de pression :

Pression qu’il faut de toute façon détruire

Coût faible

Perte d’énergie dues à l’incrustation de charges polluantes ou de calcaire sur les parois d’une

conduite forcée

Caractéristiques de l’installation :Débit maximum : Q = 0.280 m3/s

Dénivellation : 115 m

Longueur de la conduite : 860 m

Perte de charge calculée par la formule de Colebrook

Rendement énergétique de la conduite :Défini par le rapport entre la pression statique et la pression à débit

maximum

Perte énergétique dans une conduite forcée encrassée.

Diamètre de la conduite Incrustation Perte de charge

en m

Rendement énergétique de la

conduite

312 mm 0 mm 22.7 0.803

312 mm 2 mm 44.2 0.616

380 mm 0 mm 8.5 0.926

380 mm 2 mm 15.5 0.865

Turbinage de l'eau potable:Principe:Valorisation de la pression

excédentaire du réseau d'adduction

Principales précautions:• Pas de dispositif de commande à

huile• Acier inoxydable• Réservoir ou/et by pass pour

assurer l'approvisionnement• Conduite de diamètre suffisant

pour limiter la perte de charge

Station Pompage TurbinageVanne de garde oui oui

Organe de régulation de débit non oui

Roue liée à un arbre tournant oui oui

Joints d'arbre oui oui

Bâti et roue en contact avec l'eau oui oui

Paliers à roulement graissés à vie oui oui

Machine électrique oui (moteur) oui (génératrice)

Armoires électriques oui oui

Transformateur MT /BT oui, si P > 10 kW oui, si P > 10 kW

Matériaux de construction usuels de la machine hydraulique

Acier, fonte, acierinoxydable, bronze

Acier, fonte, acier inoxydable, bronze

By pass automatique non oui

Accès à l'eau Démontage nécessaire Démontage nécessaire

Vitesse spécifique

Q = débit [m3/s]

E = énergie hydraulique massique à disposition de la machine [J/kg]

n = vitesse de rotation de la turbine [t/s]

E

QnnQE 43 ⋅

=

A chaque vitesse spécifique correspond un type de turbine, respectivement une forme de roue.

Vitesse spécifique

A chaque vitesse spécifique correspond un type de turbine, respectivement une forme de roue.

D0

Ds

D0

D0

Ds

Ds

D

n = 514s

n = 300s

n = 200s

n = 80s

0.01

0.1

1

10

1 10 100 1000

Hn = E/g

KaplanPropellerBulbFrancisPelton

Vitesse spécifique

Pelton un injecteur

Pelton n injecteurs

Francis

Kaplan, hélice, bulbe

0.025 0.005 ≤≤nQE

nn 0.50.5 0.025 0.005 ⋅≤≤⋅ nQE

0.33 0.05 ≤≤nQE

1.55 0.19 ≤≤nQE

Conception préliminaire

Turbines Pelton

nH 0.68 D1 ⋅=

HQ

njet

1 1.68 B2 ⋅⋅=

gHQnjet

1 1.178 De ⋅⋅=

0.3 2

1

BD >

Conception préliminaireTurbines Francis

n 60 ) 2.488 (0.31 84.5 nD QE3 ⋅⋅⋅+⋅=

H

DnD 3QE

1 ) 0.095 (0.4 ⋅+=

n DD

0.3781 0.96

QE

32 ⋅+=

Pour nQE > 0.164

Pour nQE < 0.164

DD 12 =

Conception préliminaire

Turbines Kaplan

n 60 ) 1.602 (0.79 84.5 nD QEe ⋅⋅⋅+⋅=

H

DnD eQE

i ) 0.0951 (0.25 ⋅+=

Critères de sélectionChute nette

Type de turbine Domaine d'utilisation

Kaplan et hélices 2 < Hn < 40

Francis 25 < Hn < 350

Pelton 50 < Hn < 1'300

Crossflow 5 < Hn < 200

Turgo 50 < Hn < 250

Critères de sélection

DébitIl est en outre intéressant de connaître la variabilité du débit pour choisir le nombre de machine ou un type de turbine plutôt qu’un autre en cas de possibilités multiples.

Type de turbine Capacité de réponse aux variations de débit

Capacité de réponse aux variations de chute

Pelton Elevée Basse

Francis Moyenne Basse

Kaplan à double réglage Elevée Elevée

Kaplan simple réglage Elevée Moyenne

Hélice Basse Basse


CavitationPhénomène de vaporisation à température constante et pression variable.


Cavitation en pleine pale

Cavitation marginale

Cavitation au moyeu Cavitation en entrée d’intrados


Cavitation

Caractérisée par le chiffre de thoma gHNPSE σ =

NPSE est l’énergie massique nette à l'aspiration gHs 2 ρPP NPSE v2

vatm −+−=

Où Patm = pression atmosphérique [Pa] Pv = tension de vapeur de l’eau [Pa] ρ = masse volumique de l’eau [kg/m3] g = accélération de la pesanteur [m/s2] V = vitesse moyenne de sortie [m/s] H = chute nette [m] Hs = hauteur d’aspiration [m]


Cavitation

Hauteur d’implantation admissible H g2

gρ

PP Hs

v2vatm ⋅−

⋅+

⋅−

= σ

0.01

0.1

1

10

0.01 0.1 1

nQE

σ

Kaplan

Francis

Valeurs statistiques de σ

H⋅⋅+⋅=

g2 1.2715 σ vn

21.41QE

H⋅⋅+⋅=

g2 1.5241 σ vn

21.46QE

Francis

Kaplan


Vitesses de rotation synchrones des alternateurs

Nombrede pôles

Fréquence Nombrede pôles

Fréquence

50 Hz 60Hz 50 Hz 60 Hz

2 3000 3600 16 375 450

4 1500 1800 18 333 400

6 1000 1200 20 300 360

8 750 900 22 272 327

10 600 720 24 250 300

12 500 600 26 231 377

14 428 540 28 214 257

32


Vitesses d’emballement

Type de turbine Vitesse d'emballement nmax/n

Kaplan simple réglage 2.0 - 2.6

Kaplan double réglage 2.8 - 3.2

Francis 1.6 – 2.2

Pelton 1.8 – 1.9

Turgo 1.8 – 1.9

Rendement des turbines

Rendement : caractérise non seulement la capacité d’une turbine àexploiter un site de manière optimale, mais également soncomportement hydraulique et hydrodynamique => garanties quant àla production et l’investissement.


• Peu aisé à mettre en place et onéreux• Méthodes souvent non adaptées aux petites installations• Résultats toujours discutables• En général, pas de possibilités d'amélioration de la turbine si les

garanties ne sont pas atteintes• Le paiement des pénalités contractuelles ne compensent jamais

la perte de production sur la durée de vie de la turbine.

Contrôle des performances sur site


Développement et essais sur des turbines géométriquement semblables aux prototypesRésultats obtenus transposables (selon les normes internationales)Possibilité de corriger les éventuels défauts avant de construire le prototypeCoûts élevés, pouvant être évités pas la méthode de systématisation

Contrôle des performances en laboratoire


Comparaison entre hydraulique testée et non testée

0.740.750.760.770.780.790.800.810.820.830.840.850.860.870.880.890.90

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000

Q/Qn

η

Développement enlaboratoireDéveloppementempirique


Rendement type de petites turbines développées en laboratoire

0.5000

0.5500

0.6000

0.6500

0.7000

0.7500

0.8000

0.8500

0.9000

0.9500

1.0000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05

Q/Qmax

ηη

Pelton 2 nozzlesPelton 1 nozzleKaplanPropellerFrancis


Rendement maximum des petites turbines développées en laboratoire

Type de turbine Meilleur rendement

Kaplan simple réglage 0.91

Kaplan double réglage 0.93

Francis 0.94

Pelton n injecteurs 0.90

Pelton 1 injecteur 0.89

Turgo 0.85

Petite centrale de La Rasse(Evionnaz et St-Maurice – CH)

1 Pelton, axe vertical, 2 injecteurs

Mise en service: 1997Dénivellation: 510 mDébit max: 180 l/sPuissance électrique: 715 kWProduction: 2'100'000 kWh/an

≅ 470 ménagesConception: MhylabConstructeur: Gasa SAExploitant : Service Industriel

La Zour (Savièse, CH)

1 Pelton, axe vertical3 injecteursMise en service: 2004Dénivellation: 217 mDébit max: 300 l/sPuissance électrique: 465 kWProduction annuelle: 1'800'000 kWh

(≅ 400 ménages)Conception: MhylabConstructeur: Gasa SAExploitant: Commune de

Savièse

Centrale de Poggio Cuculo – Nuove Acque (I)

Turbine axiale à axe horizontal

Chute nette variable de 12.5 à 20.5 m

Puissance de 40 à 60 kW

Débit de dimensionnement 380 l/s

Conception hydraulique et ingénierie : Mhylab

Constructeur : Desgranges Sàrl

Exploitant : Nuove Acque

Et pour terminer quelques conseils :

• Etablir un cahier des charges précis pour les équipements. Il existe de multiples fournisseurs de qualités très diverses.

• Ne jamais croire des garanties de performance et de fonctionnement si leur provenance n’est pas avérée.

• Se rappeler qu’une machine bien conçue sera simple, fiable et performante

Pour en savoir plus

MhylabChemin du Bois Jolens 6CH - 1354 MontcherandSuisse / SwitzerlandTel.: + 41 24 442 87 87Fax: + 41 24 441 36 [email protected]

http://www.esha.be/fileadmin/esha_files/documents/SHAPES/Multipurpose%20schemes%20brochure%20SHAPES.pdf

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