Choix d’une turbine

Comme dit plus haut, la turbine Kaplan est souvent choisie pour les usines au fil de l’eau dans les voies navigables. Cela est dû à sa constance du rendement en fonction du débit et pour son aptitude à absorber les déchets.

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 5-7 Le constructeur dispose d’une infinité de possibilités. Selon sa philosophie, son « feeling », il fera le choix que nous pourrions résumer comme suit :

Grande vitesse linéaire Æ petit Ø de turbine Petite vitesse linéaire Æ grand Ø de turbine

En vue d’avoir des turbines « fish friendly », il faut choisir (volontairement) des petites vitesses linéaires.

a) Vitesse débitante

Cette vitesse est un paramètre déterminant pour le transit du poisson.

V1 =Q/St (5-1) Où Q = débit m³/s

St = section nette au droit de la turbine

Selon le constructeur V1 varie de 7 à 12 m/s. A titre indicatif, la société liégeoise Rutten S.A.

a choisi une vitesse variant de 5 à 6,5 m/s selon le site.

La vitesse débitante donne une bonne image du gradient de pression ∆P/∆t dans la turbine. De nos jours, ce gradient doit être le plus faible possible.

La mortalité des poissons en dépend car leur organisme ne supporte pas les grandes variations de pression.

b) Vitesse périphérique V2

En général, elle varie de 18 à 23 m/s.

Pour les turbines chez Rutten, ils ont choisi des vitesses largement plus faibles, comprises entre 10,5 et 13,50 m/s.

Une grande vitesse périphérique donnera un choc important. En effet, le choc est proportionnel au carré de V2 (

60

2

N D V =π )

A titre de comparaison, vous trouverez ci-après les vitesses périphériques et débitantes des machines construites sur la Meuse, de Namur à Lixhe.

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 5-8

c) Paramètres constructifs

Les turbines Rutten sont du type Straight Flow, sans coude.

Ils exploitent des petits ∆h, entre 1,6 et 3 mètres, avec de gros débits.

Il faut savoir qu’un coude à 90° donne une perte de 20 à 30 cm. De même, deux coudes à 90° donnent 40 à 60 cm, ce qui est totalement inacceptable en basse chute.

Aux Grosses Battes (Chênée), par exemple, il y a un coude « rond carré » et un coude à 45°. Pour réduire au maximum la perte, nous avons opté pour des grands diamètres, la perte est proportionnelle à U²/2g.

Les aspirateurs auront une perte très réduite si on les construit avec un angle compris entre 7 et 8°.

L’aspirateur des Grosses Battes a un angle vu de l’extérieur de 45°. Dans la réalité, l’aspirateur est divisé en 6 venturis de 7° 30’.

Les pertes totales aux Grosses Battes ne dépassent pas 0,40 m à 3 m de chute. Il s’agit des pertes cône d’entrée + distributeur (5 %) + turbine + aspirateur + U²/2g à la sortie de l’aspirateur + pertes linéiques.

En ce qui concerne la turbine elle-même, les aubages peuvent être réalisés en acier coulé, en fonte, en bronze, en inox, en bronze d’aluminium.

Le moins cher est l’acier coulé et le plus cher est le bronze d’aluminium.

Les aubages coulés sont soit simplement polis ou usinés en 3D avec une machine CNC à 6 axes. Lorsqu’il y a danger de cavitation, il est préférable d’usiner les aubages.

Pour le bronze d’aluminium, le σ rupture flexion est de 670 N/mm². Le bronze d’aluminium est beaucoup plus résistant que le bronze d’étain classique.

Les turbines usinées ont des rendements très élevés. Ainsi, il y a 95,5 % de rendement « turbine » aux Grosses Battes.

Remarque :

La tendance actuelle est de construire des moyeux aussi petits que possibles. En 1954, = =0,65 turbine moyeu m φ φ En 1988, m = 0,54 à Grands Malades

Sur la Meuse, Rutten S.A. a opté pour m = 0,3.

Cela représente toutefois un inconvénient : les turbines sont plus difficiles à usiner (proche du moyeu).

5.4 La cavitation

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 5-9 Lorsque l'on aspire un liquide dans un conduit on crée une dépression, si cette baisse de pression fait descendre la pression du liquide au-dessous de sa pression de vapeur saturante, le liquide se met en ébullition. (Production de vapeur) On appelle ce phénomène la cavitation. Ces baisses de pressions au dessous de la pression de vapeur saturante peuvent être très localisées par exemple sur les extrados des profils immergés ou dans les zones rétrécie de dispositif de pompage. Bernoulli nous dit que l'accélération du fluide génère une baisse de pression....

Ce phénomène est très dangereux et peut détruire les machines en quelques mois, surtout dans le cas des turbines acier.

Le profil lui-même est en cause mais c’est aussi la trop grande dépression qui amène le phénomène. Un mauvais calage du distributeur ou une réduction trop importante du débit entraîne inévitablement de la cavitation, surtout en basse chute.

Pour y remédier, Rutten S.A. a calculé (avec l’ULg., Professeur Léonard) un profil idéal pour la famille des turbines « basses chutes ».

Il s’agit de calculer partout, en tout point, par éléments finis, les pressions absolues sur l’intrados et l’extrados.

Il y a lieu de ne pas descendre en-dessous de la tension de vapeur de l’eau. Il faut, dans tous les états de débits, contrôler cette pression.

Les courbes à R = constante ont toutes la même allure (figure 5.7).

Figure 5.9 Courbe cavitation [1]

Ces courbes dépendent du profil NACA choisi. C’est quasi un métier que de choisir un NACA parmi plus de 1000 profils classifiés. La solution, celle qui évite la cavitation, est en

ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 5-10 fait un système itératif jusqu’à obtention d’un résultat satisfaisant, une turbine non cavitante dans tous les cas de figure.