L'étude expérimentale du décollement à la sortie du diffuseur d'une turbine hydraulique de type bulbe

L’étude expérimentale du décollement à la sortie du

diffuseur d’une turbine hydraulique de type bulbe

Mémoire

Jadid Mauricio Pereira Pabon

Maîtrise en génie mécanique

Maître ès Sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

L’étude expérimentale du décollement à la sortie du

diffuseur d’une turbine hydraulique de type bulbe

Mémoire

Jadid Mauricio Pereira Pabon

Sous la direction de :

iii

Ré sumé

Ce projet présente l’étude expérimentale de l’écoulement à la sortie du diffuseur d’une turbine de type bulbe. La technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisée pour les trois montages expérimentaux, situés au-dessus et sur les deux côtés du diffuseur pour obtenir les trois composantes de vitesse.

Une importante chute de rendement a été mesurée dans un modèle réduit d’une turbine de type bulbe opérant à forte charge. Des études précédentes ont relié la chute de performance avec les pertes du diffuseur, et en particulier avec la zone de séparation de l'écoulement aux parois du diffuseur. Dans la présente étude, l'écoulement a été étudié à la sortie de la trompette de la turbine, qui est une section du diffuseur qui permet de passer d'une section circulaire à une section rectangulaire. La turbine a été étudiée pour cinq conditions d'opération, qui représentent les différents phénomènes de l'écoulement à la sortie du diffuseur. En plus du champ de vitesse, l'analyse a été effectuée pour le coefficient d’intermittence de la vitesse débitante et pour la composante de la vorticité autour l’axe axial

Z. Les résultats révèlent une zone contrarotative dans le diffuseur, qui s'intensifie avec

l'ouverture des directrices. L'ouverture des directrices induit une modification aux phénomènes hydrauliques : à partir d'une recirculation de l'écoulement dans la zone centrale pour la condition d'opération à plus faible charge, vers un écoulement de retour induit par la séparation de l'écoulement aux parois pour les conditions d'opérations à forte charge.

iv

Abstract

This project presents the experimental study of the flow at the diffuser outlet of a bulb turbine. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on three experimentals setups located above and on two sides of the diffuser to obtain the three velocity components. An important drop in turbine performances has been measured in a bulb turbine model operated at overload. Previous investigations have correlated the performance drop with diffuser losses, and particularly to the flow separation zone at the diffuser wall. In the present study, the flow has been investigated at the exit of the turbine, which is a diffuser section that transforms from a circular to a rectangular section. The turbine has been operated at five operating points, which are representative of different flow patterns at the diffuser exit. In addition to the average velocity field, the analysis has been conducted based on a backflow occurrence function and on the vorticity level. Results reveal a counter-rotating zone in the diffuser, which intensifies with the guide vanes opening. The guide vanes opening induces a modification of the flow phenomena: from a central backflow recirculation zone at the lowest flowrate to a backflow zone induced by flow separation at the wall at the highest flowrate.

v

Tablé dés matié rés

Résumé ... iii

Abstract ... iv

Table des matières ... v

Table des figures ... vii

Liste des tableaux ... x

Nomenclature ... xi

Remerciements ... xv

Chapitre 1 Introduction ... 1

1.1 Contexte du projet ... 1

1.1.1 Les turbines hydrauliques ... 2

1.1.2 La turbine de type bulbe ... 3

1.2 Description de la problématique et revue de littérature ... 5

1.2.1 La problématique ... 5

1.2.2 Objectifs spécifiques ... 6

1.2.3 La revue de littérature ... 6

1.3 Structure du mémoire ... 12

Chapitre 2 Méthodologie expérimentale ... 13

2.1 L’approche expérimentale ... 13

2.2 Le banc d’essai du LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAHM) de l’Université Laval ... 13

2.3 Description du modèle réduit de la turbine BulbT ... 15

2.4 Conditions d’opération de l’étude ... 18

2.5 Principe de fonctionnement de la technique LDV ... 19

2.5.1 Description des montages LDV ... 21

2.6 La grille de mesure ... 28

Chapitre 3 Traitement des données et analyses des incertitudes ... 30

3.1 Les vitesses moyennes et l’écart-type ... 30

3.2 Calcul des incertitudes ... 30

3.2.1 Incertitudes de position ... 31

Montage supérieur ... 32

Montages latéraux ... 32

3.2.2 Incertitudes sur la vitesse ... 34

Incertitude de positionnement de la sonde laser ... 34

Incertitude de l’angle d’intersection des faisceaux laser dans le volume de mesure ... 35

Incertitude de perpendicularité entre les faisceaux laser et la fenêtre ... 36

Incertitude de perpendicularité à cause des angles d’incidence des faisceaux dans l’eau ... 37

vi

Incertitude de biais totale ... 38

Analyse de convergence ... 38

L’incertitude aléatoire ... 41

Vérification des mesures ... 42

Estimation des incertitudes de l'écart-type ... 43

Processus de sélection des données pour l’analyse ... 43

Chapitre 4 Analyse des résultats ... 45

4.1 Analyse des champs de vitesses ... 45

4.1.1 Composante de la vitesse débitante ... 45

4.1.2 Le coefficient d’intermittence de la vitesse débitante ... 49

4.2 Analyse de la composante de la vorticité autour l’axe axial Z ... 54

4.3 Les fluctuations de vitesse ... 56

Énergie cinétique turbulente ... 60

Chapitre 5 Conclusion ... 64

Bibliographie ... 67

vii

Tablé dés figurés

Figure 1-1 : Les derniers modèles de turbines de type bulbe sur le marché. Images adaptées: à gauche Rammler and Andritz-Hydro 2016, au centre de GE Renewable Energy 2016 et à droite de Voith-Hydro 2016. ... 4 Figure 1-2 : Prédiction de l’évolution du tourbillon. Image adaptée de Mauri et al. 2005. ... 7 Figure 1-3 : Champ de vitesses dans les pertuis du diffuseur. Images adaptées de Tridon et al. 2010. ... 8 Figure 1-4 : Plans de mesures PIV [B1 (inférieur), B2 (inférieur) et S3 (côté +X)]. Avec 20- 30% d’écoulement de retour. Images adaptées de Duquesne 2015. ... 11 Figure 2-1 : Schéma du banc d’essai et de la turbine de type bulbe du projet BulbT du LAMH de l’Université Laval. ... 14 Figure 2-2 : Composants de la turbine BulbT. ... 16 Figure 2-3 : Schéma du modèle de la turbine de type bulbe du projet BulbT. Vue de côté. Composants : (1) Piles, (2) bulbe, (3) Directrices, (4) Pales de roue, (5) Moyeu, (6) Diffuseur : cône, (7) Diffuseur : trompette. Image adaptée de Duquesne 2015. ... 17 Figure 2-4 : La vitesse de rotation réduite en fonction du débit réduit. La ligne bleue présente les OP à l’étude et la ligne noire les OP de Duquesne 2015. ... 18 Figure 2-5 : Schéma de la technique LDV à deux paires de faisceaux à la sortie du diffuseur de la turbine BulbT. Image adaptée de Lemay 2014. ... 20 Figure 2-6 : Volume de mesure. δf est la distance interfrange et df est le diamètre des faisceaux

à la focale. Le volume de mesure a pour dimensions a, b et c. Image adaptée de Dantec Dynamics 2006. ... 20 Figure 2-7 : Diffuseur de la turbine modèle du projet BulbT. ... 22 Figure 2-8 : Mesure des trois composantes de vitesse sur les axes (X, Y et Z) avec une sonde à deux composantes. Image adaptée de Dantec Dynamics 2006. ... 23 Figure 2-9 : Plan de mesure à la sortie du diffuseur à une distance Z=3.12 Dref. Le plan est

localisé exactement au centre de la fenêtre supérieure de la trompette. ... 24 Figure 2-10 : Montage supérieur. Dessin à gauche, photo du montage à droite. ... 25 Figure 2-11 : Montage latéral du côté de l’axe (X+). Mz est le système de déplacement parallèle à l'aspirateur. Mx correspond au système de déplacement horizontal et My au système de déplacement vertical. ... 26 Figure 2-12 : Montage latéral du côté de l’axe (X-). Mz est le système de déplacement parallèle à l'aspirateur. Mx correspond au système de déplacement horizontal et My au système de déplacement vertical. ... 27 Figure 2-13 : Grille de mesure vue de l’aval vers l’amont : plan (XY) situé à la coordonnée Z=3.2 Dref. Les trois composantes de vitesse sont obtenues aux points noirs. Les composantes

viii

Cz et Cx sont disponibles aux points rouges. La composante Cy est obtenue aux points bleus.

... 29 Figure 3-1 : Angle de divergence de la trompette du diffuseur θ. Vue de dessus de la machine. ... 33 Figure 3-2 : L’erreur angulaire de la sonde laser par rapport à l’axe vertical. Image adaptée de Vuillemard 2015. ... 35 Figure 3-3 : La longueur focale et le demi-angle ϕ des faisceaux sur l’axe central. ... 36 Figure 3-4 : L’erreur de perpendicularité entre la sonde et la fenêtre. ... 37 Figure 3-5 : Analyse de convergence de la vitesse débitante. Au coin (X+ et Y-) du montage supérieur. ... 39 Figure 3-6 : Zoom de 0 à 5000 données de l’analyse de convergence de la vitesse débitante. Au coin (X+ et Y-) du montage supérieur. ... 40 Figure 3-7 : Graphiques de la vitesse Czp /Cref, en haut pour OP2 et en bas OP5, à gauche le

montage latéral du côté (X+) et à droite le montage supérieur. Une ligne verticale en trait pointillé correspond à la limite de la zone commune aux deux montages. ... 42 Figure 4-1 : Champs de vitesse débitante normalisée Cz /Cref sur une section à la sortie du

diffuseur à Z=3.12 Dref pour les cinq conditions d’opération : OP1 à OP5. ... 46

Figure 4-2 : Zones pour l’analyse du débalancement de l’écoulement. ... 47 Figure 4-3 : Coefficient d’intermittence de la vitesse débitante à gauche. Le contour en pointillé avec sa valeur montre le Coeff_Czi en %. Le champ de vitesse débitante Cz /Cref à

droite. Pour la condition d’opération OP1. ... 50 Figure 4-4 : Coefficient d’intermittence de la vitesse débitante à gauche. Le contour en pointillé avec sa valeur montre le Coeff_Czi en %. Le champ de vitesse débitante Cz /Cref à

droite. Pour la condition d’opération OP2. ... 51 Figure 4-5 : Coefficient d’intermittence de la vitesse débitante à gauche. Le contour en pointillé avec sa valeur montre le Coeff_Czi en %. Le champ de vitesse débitante Cz /Cref à

droite. Pour les conditions d’opération OP3, OP4 et OP5. ... 52 Figure 4-6 : Vorticité normalisée à la sortie du diffuseur ωz / Nref pour les cinq conditions

d’opération. Les valeurs négatives (en bleu) sont dans la direction de rotation de la roue (co-rotatives). La vorticité nulle est représentée avec la ligne pointillée... 55 Figure 4-7 : Écart-type de la vitesse débitante normalisée par la vitesse de référence ... 57 Figure 4-8 : Écart-type de la vitesse transversale Cx normalisé par la vitesse de référence σCx

/ Cref pour les conditions d’opération OP1 et OP5. ... 58

Figure 4-9 : Trois points : A au centre et B et C vers le côté (X+) qui sont analysés sur la figure 4-10 pour les trois composantes de vitesse. ... 59 Figure 4-10 : Écart-type des composantes de vitesse (σCz / Cref, σCx / Cref et σCy / Cref) sur

l’axe des ordonnées et les cinq conditions d’opération (OP1 à OP5) sur l’axe des abscisses. ... 59

ix

Figure 4-11 : Énergie cinétique turbulente normalisée, k / Cref2 à gauche et kiso / Cref2 à droite

pour les conditions d’opération OP1, OP2 et OP5. ... 62 Figure A-1 : Écart-type de la vitesse débitante normalisé par la vitesse de référence ... 70 Figure A-2 : Écart-type de la vitesse transversale (Cx) normalisé par la vitesse de référence

σCx / Cref. ... 71

Figure A-3 : Écart-type de la vitesse transversale (Cy) normalisé par la vitesse de référence

σCy / Cref. ... 72

Figure A-4 : Énergie cinétique turbulente normalisée k / Cref2 (%) pour toutes les conditions

d’opération. ... 73 Figure A-5 : Énergie cinétique turbulente normalisée kiso / Cref2 (%) pour toutes les conditions

x

Listé dés tabléaux

Tableau 2-1 : Caractéristiques de la boucle d’essai du LAMH. ... 15

Tableau 2-2 : Caractéristiques principales de la turbine de type bulbe du projet BulbT. .... 17

Tableau 2-3 : Les cinq conditions d’opération à l'étude. ... 19

Tableau 2-4: Description de la zone de décollement mesurée par Duquesne 2015 ... 19

Tableau 2-5 : Caractéristiques des lentilles de la sonde LDV. ... 27

Tableau 2-6 : Caractéristiques des volumes de mesure dans l’eau des faisceaux laser. Les dimensions a, b et c réfèrent à la figure 2-6... 28

Tableau 3-1 : Incertitudes de position de l’alignement du laser. ... 31

Tableau 3-2 : Incertitude de position pour le montage supérieur. ... 32

Tableau 3-3 : Incertitude de position pour les montages latéraux. ... 33

Tableau 3-4 : Incertitude totale par composante. ... 41

Tableau 4-1 : Rapport entre les débits des zones en haut et en bas et des zones de côté de la section de mesure... 48

xi

Noménclaturé

Paramètre Description Unités

Alocale Aire locale autour d’un point de la grille de

mesure

m2

Asortie Aire de la section de mesure m2

Bc Incertitude de biais de la vitesse m/s

Côté- Axe de la vitesse parallèle à paroi du côté (-X) du diffuseur

- Côté+ Axe de la vitesse parallèle à paroi du côté (+X) du

diffuseur

-

Ci Vitesse instantanée m/s

Cmoy La vitesse moyenne (temporelle) m/s

Coeff_Czi Coefficient d’intermittence %

Cref Vitesse de référence à section de sortie du

diffuseur

m/s

Cx, Cy, Cz Composantes de vitesses m/s

Czp Vitesse parallèle aux parois des côtés de la

trompette du diffuseur

m/s

Dfaisceaux Diamètre initial des faisceaux mm

Dref Diamètre de référence (diamètre de gorge au

niveau de la roue,)

mm

froue Fréquence de rotation de la roue Hz

fshif Fréquence de décalage de la cellule de Bragg du

système LDV (40MHz)

MHz

g Accélération gravitationnelle N/kg

Hnette Hauteur d’eau nette disponible pour la turbine m

Href Hauteur de chute de référence m

k = TKE Énergie cinétique turbulente m2/s2

kiso Énergie cinétique turbulente avec l’hypothèse

d’isotropie

m2/s2

Lfaisceaux Distance entre faisceaux à la sortie de la sonde mm

Lfocal Longueur focale mm

ntot Nombre d’échantillons totaux -

nd Nombre de blocs pour la FFT -

xii

Paramètre Description Unités

Nref Vitesse de rotation de la roue de référence en

(tr/s)

tr/s

Pc Incertitude aléatoire de la vitesse m/s

Phyd Puissance nette disponible d’une installation

hydroélectrique

W

Pméc la puissance extraite par la turbine W

Q Débit volumique m3/s

QOPi Débit à la condition d’opération considérée, i = 1

à 5

m3/s

Q11 Débit réduit du modèle m3/s

Q11ref Débit réduit de référence du modèle m3/s

T Couple fourni à la roue d’une turbine Nm

TTi Temps de passage de la ième particule à travers

du volume de mesure en LDV

s

V Volume de mesure (a, b, c ses dimensions

caractéristiques)

mm3

Ωref Vitesse de rotation de la roue de référence en

(rad/s)

rad/s

ωz Vorticité 1/s

α Angle d’ouverture des directrices Deg

β Angle d’ouverture des pales de la roue Deg

θ Angle de divergence de la trompette du diffuseur Deg

ϕL,air,∆perp = ϕ Demi-angle entre les deux faisceaux lasers Deg

ΔC Incertitude de mesure sur la composante de

vitesse mesurée

m/s

∆XGsup, ∆YGsup, ∆ZGsup Incertitudes de positionnement pour le montage

supérieur

mm

∆XGcôtés, ∆YGcôtés, ∆ZGcôtés Incertitudes de positionnement pour les montages

latéraux

mm

ΔCsonde Incertitude de positionnement de la sonde laser m/s

ΔCϕL Incertitude de l’angle d’intersection des faisceaux

laser dans le volume de mesure

m/s

ΔCperp Incertitude de perpendicularité entre les faisceaux

laser et la fenêtre

m/s

ΔCϕL,perp Incertitude de perpendicularité à cause des angles

d’incidence des faisceaux dans l’eau m/s

xiii

Paramètre Description Unités

∆σC Incertitudes de l'écart-type m/s

ρ Masse volumique de l’eau kg/m3

δfrange Distance interfrange μm

λ Longueur d’onde d’une paire des faisceaux μm

σ2 _{Variance de la population m}2_/s2

σC Estimateur de l’écart-type des vitesses (des

échantillons)

m/s σCx Écart-type de la vitesse transversale sur l’axe X m/s

σCy Écart-type de la vitesse transversale sur l’axe Y m/s

σCz Écart-type de la vitesse débitante sur l’axe Z m/s

η Rendement de la machine %

ηref Rendement de référence de la machine %

χ2 _{Distribution Chi carré -}

Abréviation Description

ADEME Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (France)

Axe B Axe de mesure à l’entrée du cône du diffuseur (Project de Maîtrise de Vuillemard 2015)

AxialT Premier projet du consortium en machines hydrauliques. Qui a étudié une turbine du type hélice (verticale)

BSA Burst Spectrum Analyzer

BulbT Projet actuel du consortium en machines hydrauliques. Qui étude une turbine du type bulbe (horizontale)

CanmetÉNERGIE Ressources naturelles Canada

CAO _{Conception assistée par ordinateur}

CEI 60193 Norme de la commission électrotechnique internationale « Turbines hydrauliques, pompes d'accumulation et pompes-turbines – Essais de réception sur modèle »

CFD Computational Fluid Dynamic (Calcul de la dynamique des fluides)

CNRS Centre national de la recherche scientifique est un organisme public de recherche (France)

xiv

Abréviation Description

Consortium Consortium en machines hydrauliques (LAMH) et les

partenaires industriels Hydro Québec, Andritz Hydro Canada Inc., Voith Hydro Inc. et GE Renewable Energy, ainsi que l’Université Laval et Ressources Naturelles Canada

CREMHyG Centre de Recherches et d’Essais de Machines Hydrauliques de Grenoble

DES Detached Eddy Simulation

DES-SST _{Detached Eddy Simulation - Shear Stress Transport} EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne

FFT Transformée rapide de Fourrier (« fast Fourrier transform ») FLINDT Flow Investigation in Draft Tube (étude de l’écoulement du

diffuseur)

LAMH LAboratoire des Machines Hydrauliques de l’Université Laval

LDV Anémométrie laser à effet Doppler « Laser Doppler Velocimetry »

LEGI Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels LES Large Eddy Simulation (Simulation des Grandes Échelles) LMFN Laboratoire de Mécanique de Fluides Numérique de

l’Université Laval

MAO Modulateur acousto-optique

MPF Meilleur Point de Fonctionnement

NRCan Ressources naturelles Canada

OPi Condition d’opération du modèle réduit de la turbine (i est le

numéro de l’opération : 1,2,3,4 et 5)

PIV Vélocimétrie par images de particules (« Particle Image Velocimetry »)

RANS Reynolds Averages Navier Stokes (Simulation des équations de Navier Stokes Moyennée)

xv

Rémérciéménts

Je remercie d’abord ma directrice de recherche Mme. Claire Deschênes pour m’avoir donné l’opportunité de travailler dans son laboratoire en compagnie d’une équipe dévouée et talentueuse. Je dois souligner son excellent encadrement dès le premier jour, qui m’a permis d’établir les priorités de formation pour faciliter la réussite du projet. Grâce à cette organisation, le calendrier planifié a été suivi avec succès.

Je remercie également à Pierre Duquesne et Vincent Aeschlimann. Ils m’ont donné des indications primordiales pour le succès du projet. Je dois dire que grâce à notre travail en équipe on a réussi à obtenir d’excellents résultats. Pierre ton énergie est incroyable, merci pour être toujours là. Vincent ton support a été essentiel, tu as une capacité intellectuelle remarquable et une qualité humaine naturelle.

Merci à tous les collègues du LAMH, expérimental et numérique. Tous m’ont beaucoup aidé à mieux performer, ont été très réceptifs au moment de toutes mes présentations dans les réunions d’équipe et lors de la réunion finale avec le Consortium. Anthony Muños, merci mon ami, je suis très content d’avoir travaillé avec toi.

Merci aux membres du Consortium en machines hydrauliques. C’est grâce à votre intérêt pour le développement de machines hydrauliques et à votre souci pour l’environnement et la qualité de vie que ce projet a pu exister.

Muchas gracias a mi alma mater la Universidad Francisco de Paula Santander de Colombia y a todos los profesores y compañeros ingenieros que siempre me han motivado à alcanzar el éxito.

Al Profesor Jesús Bethsaid Pedroza Rojas por todo el conocimiento que me ha regalado a mí y a todos los ingenieros de la UFPS.

Gracias a mi familia que siempre me ha apoyado en todo, han estado a mi lado a pesar de mi decisión de partir lejos de su amor, del calor y la comodidad de casa. Gracias a mi Mama, mi compañera y amiga de siempre, mi mejor profesora del mundo y la persona más enérgica y con más ganas de ayudar para que todo el mundo tenga éxito.

xvi

À mi esposa, la mujer más valiente e inteligente de este mundo, Rina Casandro, más fortuna no puedo tener, sin su guía y su amor mi vida no sería así de feliz. Gracias Madre Tierra, Ishtana, Pachamama y mis Barí.

1

Chapitre 1

Introduction

Ce chapitre d’introduction met en contexte le présent projet de recherche. La première section présente l’importance de la recherche et du développement des machines hydroélectriques. Ensuite, elle décrit la turbine de type bulbe. La seconde section aborde la problématique, les objectifs et une bibliographie sur les diffuseurs de turbines hydrauliques. Finalement l’organisation du mémoire est décrite.

1.1 Contexte du projet

Le LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l’Université Laval, avec l’appui du Consortium en machines hydrauliques, a réalisé des recherches pour le développement des turbines hydrauliques. Le Consortium en machines hydrauliques englobe quatre partenaires industriels, Hydro Québec, Andritz Hydro Canada Inc., Voith Hydro Inc. et GE Renewable Energy, ainsi que l’Université Laval et Ressources Naturelles Canada. De 2007 à 2011, un premier projet sur une turbine de type hélice (AxialT) a été effectué, l’actuel projet (BulbT) se concentre pour sa part sur une turbine de type bulbe (2011-2016).

L’industrie hydroélectrique est toujours à la recherche de solutions pour améliorer ses procédés, en minimisant les coûts et en maximisant l’efficacité. C’est pour cela qu’une partie des profits est investie dans la recherche, le développement et l’innovation. Le Consortium en machines hydrauliques utilise à la fois une approche expérimentale, avec les installations du LAMH, et une approche numérique avec les ressources informatiques de l’Université Laval et des partenaires industriels. Cette organisation permet au Consortium en machines hydrauliques de réaliser des études approfondies de l’écoulement dans une turbine au cours de projets à moyen et à long terme.

Dans ce contexte, l’objectif du projet BulbT est d’étudier le comportement des écoulements dans un modèle réduit de la turbine de type bulbe fournie par un des partenaires. Le diffuseur a été modifié par l’équipe du LAMH (Deschênes et al. 2014) afin de s’adapter aux problèmes de fonctionnement parfois rencontrés pendant l’exploitation des turbines de type bulbes. Il a

2

été conçu de manière à reproduire une chute brusque des performances de la turbine à forte charge proche des conditions donnant le meilleur rendement.

La thématique du projet BulbT est l’étude de la dynamique des écoulements dans la roue et le diffuseur associés à la chute abrupte des performances proche du point de meilleur rendement à forte charge, l’étude de modèles de turbulence hybrides pour la simulation numérique des écoulements dans le diffuseur, l’effet des conditions amont sur la performance de la turbine et le comportement transitoire pendant le démarrage de la turbine (Deschênes et al. 2014). Le présent projet concerne la première thématique : la chute des performances. Les mesures de l’écoulement réalisées ici à la sortie du diffuseur, complètent l’étude de l’ensemble de la turbine, de l’amenée jusqu’au diffuseur, effectuée dans le cadre du projet BulbT.

1.1.1 Les turbines hydrauliques

Les turbines hydrauliques sont utilisées pour transformer l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette énergie est ensuite convertie en énergie électrique par un alternateur. L’électricité est finalement transformée et distribuée sur le réseau. Pour le complexe La Grande au Québec, par exemple l’électricité est transformée d’une tension très élevée (735 kV) à une tension de répartition moins élevée (120 kV) avant d’être acheminée vers un poste électrique de distribution d’électricité (Hydro-Québec 2016).

On peut classer les turbines hydrauliques en deux types, les turbines dites à action et celles dites à réaction. La turbine Pelton, principale turbine à action, fait appel à une roue munie d’augets en forme de cuillères qui récupèrent l’énergie cinétique de l’eau via des injecteurs. Ce type de turbine est installé dans les sites de hautes chutes (100 m à 2000 m). Parmi les turbines à réaction, où l’énergie de pression est en partie récupérée après la roue dans un diffuseur, le type de machine le plus utilisé est la turbine Francis. Les turbines Francis sont des machines le plus souvent à axe vertical, adaptées aux moyennes chutes de moins de 600 mètres (Voith-Hydro 2016).

Les turbines à réaction conçues pour les installations de basse chute avec forts débits font appel à des roues semblables aux systèmes de propulsion classique des bateaux, c’est-à-dire une hélice munie de pales. La turbine de type Kaplan est la plus répandue des turbines de

3

basse chute (de 15 à 50 mètres). Grâce à son double réglage, la position des pales et des directrices du distributeur, elle convient aux centrales hydroélectriques au fil de l’eau qui ont des débits très fluctuants. Les turbines dites « hélice » ne possèdent qu’un seul réglage, celui des directrices. L’utilisation de pales fixes permet de réduire de manière importante la complexité d’installation, le coût de conception et la mise en service, mais limite la plage d’utilisation optimale de la machine.

La turbine de type bulbe, qui est l’objet d’étude du projet BulbT, est une machine de basse chute à axe horizontal et à double système de réglage (directrices et pales) de conception plus récente que la turbine Kaplan ou l’hélice. La section qui suit présente en détail la turbine de type bulbe et ses principales caractéristiques.

1.1.2 La turbine de type bulbe

L’apparition des unités de type bulbe date de 1930, quand le fabricant Escher Wyss (Zurich) dépose trois brevets des inventeurs Kühne (1930), Haefele (août 1933) et Huguenin (décembre 1993). Les droits du brevet ont été transférés à Arno Fisher et les deux premières unités Bulbe (à écoulement axial) de 168 kW sont mises en service en 1936 à Röstin en Poméranie (Cotillon 1973).

Le design des turbines de type bulbe a continué à évoluer au point de se substituer aux turbines Kaplan pour les nouvelles installations hydroélectriques de basse chute. Aujourd’hui, les groupes de turbines de type bulbe mis en service peuvent atteindre un diamètre de roue de 8.5 mètres et une puissance de 80 MW (Voith-Hydro 2016).

La figure 1-1 présente différents modèles de turbines bulbes de dernière génération pour les trois constructeurs du Consortium en machines hydrauliques. Comme présentée sur cette figure, une particularité de la machine de type bulbe est l’alternateur qui est logé dans une coque hydrodynamique immergée dans l’écoulement (le bulbe).

4

FIGURE 1-1 : Les derniers modèles de turbines de type bulbe sur le marché. Images adaptées: à

gaucheRammler and Andritz-Hydro 2016, au centre de GE Renewable Energy 2016 et à droite de Voith-Hydro 2016.

L’axe horizontal des turbines de type bulbe et la position de l’alternateur évitent les coudes avant et après la roue, minimisant ainsi la perte de charge causée par ces éléments, ce qui représente un des avantages de la turbine bulbe si on la compare à la turbine Kaplan. Les autres avantages des turbines bulbes sont la réduction des dimensions de la roue pour une même puissance extraite, une réduction des travaux de génie civil et de meilleures capacités de débit.

La turbine bulbe est adaptée aux projets de basse chute 0.5 à 30 mètres (Rammler and Andritz-Hydro 2016). Il est important de mentionner que pour les chutes de 20 mètres et plus, les turbines Kaplan sont toujours privilégiées, car elles permettent des diamètres de roue plus grands (plus de 10 mètres) et par conséquent une possible augmentation de la puissance mécanique extraite ainsi qu’une réduction de la quantité d’unités requises pour une centrale donnée si la rivière le permet.

Dans le contexte actuel de consommation d’énergie, d’ajout d’énergie renouvelable de sources diverses et d’ouverture du marché de l’énergie, les turbines hydrauliques sont appelées à fonctionner de plus en plus souvent en dehors de leur régime optimal et en régime transitoire pour stabiliser les réseaux électriques (Fraser et al. 2016). L’amélioration des performances dans les conditions d’opération en dehors des conditions optimales de fonctionnement devient un enjeu crucial.

C’est dans cette optique que l’équipe du LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l’Université Laval étudie le comportement hydraulique des turbines.

5

1.2 Description de la problématique et revue de

littérature

1.2.1 La problématique

À cause des fluctuations dans la demande d’électricité, les producteurs d’hydroélectricité sont encouragés à opérer les turbines à forte charge (en dehors de la condition optimale), pour extraire plus de puissance au détriment du rendement. La conception des turbines doit être adaptée à cette nouvelle réalité au moment de la réfection d’installations existantes. Aussi, les ingénieurs doivent vérifier que les composantes mécaniques redessinées, comme le distributeur et la roue, s’intègrent correctement aux composantes fixes comme le diffuseur, qui sont rarement modifiées à cause des coûts et des temps de reconstruction (Mauri et al. 2005). De ce fait, pour optimiser les performances des turbines de type bulbe et élargir leur plage de conditions d’opération, c’est-à-dire pour une plus grande plage en débit Q et angles d’ouverture des directrices α, il est nécessaire d’améliorer la compréhension des phénomènes hydrauliques perturbant l’écoulement dans les différentes composantes du système hydraulique.

Dans les recherches expérimentales précédentes du projet BulbT, la présence d’une zone de décollement tridimensionnel, instationnaire et turbulent a été observée dans le diffuseur lors de la baisse brusque de l’efficacité et de la puissance de la machine à forte charge, c’est-à-dire à plus fort débit que le point de meilleure efficacité (Duquesne et al. 2015).

Les simulations numériques de l'écoulement dans le diffuseur de la turbine du projet BulbT, effectuées au sein du LAMH, ont permis d’observer une torche à l’aval du moyeu de la roue pour les conditions d’opération avant le point de meilleur rendement (à moins forte charge) et une zone de décollement en parois du diffuseur à forte charge (Houde et al. 2014).

Grâce à la contribution des différents travaux scientifiques du projet BulbT, on a pu mieux comprendre le comportement hydrodynamique de la machine. Mais la complexité des décollements dans le diffuseur et l’intention d’obtenir un portrait global du comportementde l’écoulement obligent à poursuivre la recherche et l’expérimentation au laboratoire pour améliorer la compréhension des structures d’écoulement et pour essayer de trouver une stratégie pour mieux les prédire.

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1.2.2 Objectifs spécifiques

La présente étude a pour objectif d'analyser l’écoulement à la sortie du diffuseur de la turbine BulbT et d’ajouter à la compréhension de phénomènes hydrauliques déjà analysés en amont de cette position. Ces derniers ont été mesurés en sortie de la roue, à l’entrée du diffuseur (LDV dans Vuillemard 2015) et dans l’intersection entre le cône et la trompette du diffuseur (PIV dans Duquesne 2015).

Pour répondre à la précédente problématique, les objectifs spécifiques sont de :

- Planifier, préparer et réaliser la mesure des trois composantes de vitesses sur un plan à la sortie du diffuseur du modèle réduit de la turbine du projet BulbT à l’aide de la technique d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV).

- Analyser l’écoulement à partir des mesures de vitesse à la sortie du diffuseur.

- Comparer les analyses des vitesses à la sortie du diffuseur avec les analyses et les hypothèses obtenues précédemment sur l’écoulement dans le diffuseur durant le projet BulbT.

- Confirmer ou infirmer l’existence du décollement à la sortie du diffuseur et générer des renseignements additionnels sur l’évolution de la zone du décollement et de la recirculation.

Le projet contribuera à l’avancement des connaissances au profit de la communauté scientifique et des concepteurs de turbines hydrauliques en fournissant une analyse rigoureuse du comportement hydraulique de la turbine bulbe du projet BulbT. De plus, les résultats obtenus, dont la précision sera connue, contribueront à élargir la base de données des campagnes expérimentales ainsi qu’à améliorer la validation des modèles de simulations numériques (CFD).

1.2.3 La revue de littérature

Des études expérimentales et numériques des écoulements dans modèles réduits de turbines hydrauliques ont été réalisées ou sont en train d’être réalisées par différentes équipes de chercheurs à la fois universitaires et dans les entreprises du secteur hydroélectrique à travers le monde. Par exemple citons le laboratoire de machines hydrauliques (EPFL-LMH) de

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l’école polytechnique fédérale de Lausanne, le centre de recherche et d'essais de machines hydrauliques de l’Institut polytechnique de Grenoble (CREMHyG), le laboratoire des écoulements géophysiques et industriels de l’Université de Grenoble (LEGI) et les laboratoires de l’Université Laval : le Laboratoire de Mécanique de Fluides Numérique (LMFN) et le LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) où le modèle de la turbine de type bulbe du projet BulbT est installé.

La prochaine section présente un résumé d’une sélection des études les plus pertinentes pour ce projet, issues de ces laboratoires de recherche, ordonnées par ordre chronologique et selon le type d’étude.

Mauri et al. 2005 du Laboratoire de Machines Hydrauliques (EPFL-LMH) ont étudié la séparation dans le diffuseur d’une turbine Francis. Ils ont comparé les données expérimentales des vitesses obtenues à l’aide d’une sonde laser (LDV) sur un modèle réduit d’une turbine Francis à axe vertical avec les simulations numériques (RANS, code CFX-TASFLOW 2.10). Ils ont étudié le déclenchement d’une séparation de type Werlé-Legendre (Werlé 1962 et Legendre 1965), un type de séparation créée sur une paroi de conduite. Cette séparation affecte la récupération de pression dans le diffuseur et induit une perte de rendement de la machine. Elle est caractérisée pour un tourbillon concentré comme un filament qui s’étend dans le fluide jusqu’à la sortie de la conduite. La figure 1-3 présente l’évolution du tourbillon dans le diffuseur obtenu par simulation numérique.

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Tridon et al. 2010 en France (LEGI-CNRS-GIT et Alstom-Hydro), ont effectué une étude expérimentale de l’instabilité de l’écoulement dans le diffuseur d’un modèle réduit d’une turbine Francis. Ces essais ont été réalisés en utilisant des systèmes de mesures PIV et LDV sur le banc d’essai du CREMHyG. Ils ont observé une chute importante du rendement, un écoulement asymétrique entre les deux pertuis qui séparent le diffuseur et une zone de décollement instable dans le pertuis de gauche. Ce comportement a été fortement diminué par des modifications géométriques effectuées au diffuseur, donnant comme résultat un écoulement plus homogène (figure 1-4).

Configuration initiale

Configuration modifiée

FIGURE 1-3 : Champ de vitesses dans les pertuis du diffuseur. Images adaptées de Tridon et al. 2010.

Duprat et al. 2009 (LEGI-INP) et Alstom-Hydro ont développé une étude de validation des simulations numériques (LES et RANS) à l’aide des mesures expérimentales LDV et PIV du cas précèdent. Ils ont trouvé que la comparaison entre les grandeurs globales expérimentales et numériques de la répartition des débits dans les pertuis donne des résultats satisfaisants. Une chute de rendement a également été observée dans les calculs numériques. Ils ont observé que le décollement de la couche limite dans le diffuseur est causé par les gradients de pression et la géométrie coudée du système.

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Beaubien et al. 2013 du Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval ont effectué une étude numérique (ANSYS CFX et DES-SST) de l’écoulement dans le diffuseur d’une turbine Francis et une comparaison avec les mesures expérimentales de Tridon et al. 2010. Ils ont conclu qu’avec un maillage raffiné à 15 millions de nœuds, la simulation numérique donne des résultats raisonnables en comparaison aux mesures expérimentales.

Heschung 2017 sous la direction de Dumas du LMFN, a déposé une maîtrise sur la simulation numérique (Ansys-CFX) de l’écoulement d’une turbine hydraulique de type Francis afin de représenter adéquatement l’écoulement en entrée du diffuseur. Ce projet est basé sur les suggestions faites par Beaubien 2013 pour améliorer la prédiction numérique des performances des machines hydrauliques et principalement pour permettre de mieux simuler l’écoulement dans le diffuseur. Les paramètres étudiés sont : le débalancement de la répartition du débit, le décollement, la recirculation, l’asymétrie de l’écoulement et la chute du rendement proche du point de meilleur rendement, qui reste encore difficile à prédire. Ils ont observé que « aucune des pistes investiguées dans ce mémoire ne s'est révélée être en accord avec le constat expérimental. L'origine du débalancement demeure toujours inconnue et la possibilité d'un lien avec le décrochage de l'aspirateur n'a pas été démontrée » (Heschun et al. 2017).

Brugière et al. 2015 de l’Université de Grenoble ont réalisé une étude avec l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME), le laboratoire LEGI et Alstom-Hydro France sur la fiabilité et l’évaluation des incertitudes des simulations numériques (LES et RANS) dans les machines hydrauliques. Ils ont étudié deux applications régulièrement analysées par les ingénieurs hydrauliciens dans l’industrie : le distributeur d’une turbine Francis et un diffuseur d’une turbine de type bulbe. Pour la simulation du diffuseur, la condition d’entrée a été imposée à l’aide des mesures expérimentales (technique : sonde Pitot à cinq trous sur la plateforme d’essai de Alstom Power). Ils ont trouvé des écarts importants pour le profil de la vitesse débitante entre la simulation (RANS) et les mesures dans la section aval. D'autre part, la simulation (LES) a permis d’améliorer la prédiction de l’écoulement

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dans la condition d’opération optimale. Mais pour les conditions d’opération à forte charge, les écarts entre les simulations (RANS et LES) et les mesures expérimentales persistent. Gouin et al. 2009 du LAMH ont étudié expérimentalement (LDV) l’écoulement à l’entrée et à la sortie du diffuseur du modèle réduit de la turbine de type hélice du projet AxialT. Ils ont observé un écoulement débalancé en sortie du diffuseur. Dans son mémoire, Gouin a constaté que la répartition du débit dans les deux pertuis à la sortie du diffuseur présente un déséquilibre jusqu’à 86% du débit total traversant le canal de droite à très faible charge. Aussi, il a identifié des zones de faible vitesse et de recirculation, avec vitesses moyennes négatives dans le pertuis de gauche du diffuseur.

Guénette et al. du LAMH, du LMFN et CanmetEnergy 2012 ont réalisé une étude numérique (RANS) de la prédiction des performances d’une turbine bulbe. Aussi V. Guénette a travaillé durant sa maîtrise sur la conception et la simulation de différentes géométries du diffuseur de la turbine du projet BulbT en vue de le modifier pour assurer un décollement susceptible d’entrainer une chute de rendement brusque près du sommet de rendement.

Magnan et al. 2014 avec l’Institut de recherche d’Hydro-Québec, dans le cadre des travaux du Consortium en machines hydrauliques, ont évalué la sensibilité du maillage des simulations numériques (Ansys-ICEM et Numeca’s HexpressHybrid) à la sortie de la roue et à l’entrée du cône du diffuseur du projet BulbT. Pour une condition d’opération à faible charge, les résultats des simulations avec 3 à 27 millions de cellules montrent une sensibilité du comportement de l’écoulement aux différents maillages.

Vuillemard et al. du LAMH 2015 ont étudié expérimentalement (LDV) l’écoulement à l’entrée du diffuseur de la turbine du projet BulbT. Les vitesses axiales moyennes à l’entrée du diffuseur ont permis de détecter une zone de recirculation en aval du moyeu. L’analyse des profils de vitesses circonférentielles moyennes a montré deux zones co-rotatives et une zone contrarotative (anneau), qui évoluaient avec l’augmentation du débit.

Duquesne et al. 2015 du LAMH ont fait une investigation expérimentale (PIV) du décollement dans le diffuseur de la turbine du projet BulbT. Le décollement a été observé à l’aide de brins de laine et de quatre plans de mesures PIV dans une zone allant de la fin du cône au début de la trompette du diffuseur. L’analyse des mesures a montré que la zone de

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décollement était absente pour le point d’opération à plus faible charge (OP1), petite pour le point opération de meilleur rendement à cette vitesse de roue et à cette ouverture de directrices (OP2) et de plus en plus élargie pour les points d’opération à forte charge (OP3,

OP4 et OP5). Pour l’opération à plus forte charge (OP5), la zone de décollement est plus

étendue et plus épaisse sur une zone entre le bas et la face latérale du côté X+ du diffuseur (figure 1-5). Une des conclusions importantes de la thèse de Duquesne 2015 est la relation entre le décollement et la chute abrupte des performances du modèle de la machine.

Deux des observations importantes de ce projet sont « qu’en présence du décollement la section effective de passage de l’eau est diminuée, ce qui entraîne une diminution de la récupération du diffuseur » et que « la zone de décollement est tridimensionnelle, instationnaire et turbulente » (Duquesne et al. 2015). La figure 1-5 présente les résultats des plans de mesures PIV.

Figure 1-4 : Plans de mesures PIV [B1 (inférieur), B2 (inférieur) et S3 (côté +X)]. Avec 20- 30% d’écoulement de retour. Images adaptées de Duquesne 2015.

Taheri et al. 2015 du LAMH ont réalisé une étude numérique de l’écoulement dans le diffuseur de la turbine du projet BulbT. Le code OpenFoam (LES avec 7 à 8 millions de cellules) a été utilisé pour simuler l’écoulement. La géométrie du modèle de la simulation était constituée du cône, de la trompette et d’une longue extension du diffuseur, qui a remplacé la cuve aval. Les conditions étudiées ont été le point d’opération OP1 (à faible

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charge et sans décollement) et OP4 (à haute charge et avec décollement). Ils ont utilisé les données expérimentales des études de Vuillemard 2015 et Duquesne 2015 pour la validation. Pour ces simulations, le débit imposé était constant (selon les données expérimentales de chacun des points d’opération), et la pression moyenne à la sortie du diffuseur était imposée égale à zéro. Toutes les parois du diffuseur et du moyeu ont été considérées sans glissement sauf l’extension fictive du diffuseur où une condition de glissement a été appliquée. L’extension a été ajoutée pour éviter la recirculation à la sortie du domaine de calcul. Taheri a conclu que l’utilisation de profils de vitesse mesurés expérimentalement comme conditions d’entrée permettait d’améliorer qualitativement les résultats des simulations numériques du projet BulbT.

1.3 Structure du mémoire

Le présent projet est structuré en cinq chapitres. D’abord le présent chapitre introduit la recherche. Ensuite un second chapitre aborde la méthodologie expérimentale, incluant la description du modèle réduit de la turbine du projet BulbT, les conditions d'opération à l'étude, la présentation de la technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler et les caractéristiques des différents montages expérimentaux. Le chapitre trois présente le traitement des données, le calcul des incertitudes de position et de vitesse et se termine par la sélection des points valides pour la suite des analyses. Le chapitre quatre traite de l’analyse du comportement de l’écoulement à la sortie de la trompette. Finalement, le chapitre cinq présente les conclusions de l’étude et les perspectives envisagées.

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Chapitre 2

Mé thodologié éxpé riméntalé

Ce chapitre décrit les techniques mises en place afin d’étudier le comportement de l’écoulement à la sortie du diffuseur d’un modèle de turbine bulbe. La première partie de ce chapitre consiste en une description du modèle réduit de la turbine du projet BulbT, du banc d’essai du LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l’Université Laval qui permet de réaliser des mesures en milieu contrôlé et des conditions d’opération étudiées. La deuxième partie présente la technique d'anémométrie laser à effet Doppler (LDV). Dans cette partie sont présentés la section de mesure, les montages LDV, les caractéristiques des lentilles de la sonde laser et la grille des mesures réalisées.

2.1 L’approche expérimentale

Les expériences ont été réalisées sur le banc d’essai de turbine du LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l’Université Laval. Elles visent principalement la mesure de la vitesse à la sortie du diffuseur. Les paramètres de l’expérience, identiques pour tous les points d’opération, sont la chute nette Hnette, la vitesse de rotation de la roue Ω et l’angle des pales

de la roue β. Seul l’angle d’ouverture des directrices α est variable. La variation de α

provoque une variation du débit Q, du couple T, de la puissance hydraulique (Phyd = ρgHnetteQ), de la puissance mécanique (Pméc = TΩ) et du rendement (Pméc / Phyd). Dans

cette étude cinq conditions d’opération sont considérées.

Les cinq points d’opération sont ceux choisis pour l’ensemble du projet BulbT et les techniques employées sont basées sur l’expertise des projets précédents du LAMH. Finalement, notons que pour assurer la répétitivité des conditions d’opération à l’étude, la procédure de mise en marche du banc d’essai a été suivie pour chaque campagne de mesure.

2.2 Le banc d’essai du LAboratoire de Machines

Hydrauliques (LAHM) de l’Université Laval

Le banc d’essai pour modèles réduits de turbine hydraulique du LAboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l’Université Laval a été bâti par la professeure Claire Deschênes, qui dirige le laboratoire depuis 1989. Le laboratoire est doté d’une plateforme d’essai adaptée pour les différentes configurations de turbine hydraulique à réaction telles que les turbines

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Francis, Kaplan, hélice et bulbe. Ce dernier type de machine à l’étude dans le cadre du projet BulbT en ce moment est une turbine de type bulbe et sera l’outil principal de travail de la présente maîtrise.

Les installations du laboratoire ont été conçues et adaptées pour répondre aux exigences des normes de la commission électrique internationale, plus précisément la norme CEI 60193 « Turbines hydrauliques, pompes d'accumulation et pompes-turbines – Essais de réception sur modèle »

Dans la figure 2-1 les composantes principales du banc d’essai sont identifiées et numérotées comme suit : (1) la cuve amont, (2) le modèle de turbine réduit (bulbe dans ce cas), (3) la cuve aval, (4) le réservoir principal, (5) la prise d’eau, (6) la pompe principale, (P) les capteurs des prises de pression et (D) le débitmètre électromagnétique. La mesure du couple, la régulation de la vitesse de rotation et sa mesure sont directement implantées dans le bulbe de la turbine (Fraser et al. 2014). De plus, un échangeur de chaleur permet de contrôler la température de l’eau qui circule dans le banc à ±0.1 °C.

FIGURE 2-1 : Schéma du banc d’essai et de la turbine de type bulbe du projet BulbT du LAMH de l’Université Laval.

Le laboratoire est aussi équipé de technologies de pointe pour les mesures de vitesse et de pression : en particulier avec un anémomètre laser à effet Doppler (LDV), plusieurs

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anémomètres par images de particules (PIV) et un large éventail de capteurs de pression piézoélectriques.

Le tableau suivant montre les caractéristiques principales de la boucle d’essai du LAMH. TABLEAU 2-1 : Caractéristiques de la boucle d’essai du LAMH.

Caractéristique Capacité

Puissance du moteur de la pompe 260 kW

Puissance maximale du modèle 170 kW

Débit maximal 1 m3_/s

Vitesse de rotation maximale de la turbine 2000 rpm

Volume de la boucle d’essai 40 m3

Hauteur de chute nette maximale 50 m

2.3 Description du modèle réduit de la turbine BulbT

Le modèle de machine hydraulique étudié dans le présent projet est une turbine de type bulbe adaptée aux faibles chutes et grands débits. La définition des passages hydrauliques, la roue et le distributeur du modèle réduit de la turbine ont été fournis par l’un des partenaires industriels. Le diffuseur a été conçu par l’équipe du LAMH de telle sorte qu’il reproduise une chute d’efficacité proche du meilleur point de fonctionnement.

Les composantes principales du modèle de turbine bulbe sont présentées avec une coupe longitudinale aux figures 2-2 et 2-3. On retrouve également sur ces figures les axes de référence (X, Y et Z), qui sont situés à l’intersection entre l’axe de rotation de la roue et l’axe de rotation des pales et qui constituent le repère de référence ou le zéro de référence de la machine.

L’axe de la machine est horizontal, la coque hydrodynamique (le bulbe, composante numéro 2 sur la figure 2-3) qui loge le frein de Foucault est située à l’amont de la roue. Le bulbe est

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supporté par deux piles verticales symétriques (composante numéro 1 sur la figure 2-3) qui forment deux canaux en amont du distributeur.

Le distributeur (composante numéro 3 sur la figure 2-3) est composé de 16 directrices. Celles-ci ont un profil hydrodynamique qui permet de donner la direction du fluide en amont des pales de la roue et de commencer à mettre en rotation l'écoulement. Les directrices sont les seuls éléments mécaniques réglables dans ce projet. Elles changent l'ouverture du canal d'entrée de la machine en amont de la roue et contrôlent ainsi le débit.

La roue (composante numéro 4 et 5 sur la figure 2-3) est munie de quatre pales réglables (angle β). La variation de ce paramètre a déjà été étudiée par le Consortium en machines hydrauliques (Duquesne 2015). L’angle de pales est ici fixé à 30.2° (Duquesne 2015).

Le diffuseur situé en aval de la roue est composé par un cône (composante numéro 6 sur figure 2-3), suivi par la trompette (composante numéro 7 sur figure 2-3). Le cône a une longueur de 1.4 fois le diamètre de référence (diamètre de gorge au niveau de la roue, Dref)

et un demi-angle de divergence de 10.25°. La trompette a une longueur de 2.3 fois Dref et sa

géométrie transforme la section circulaire en section rectangulaire. La trompette n’est pas symétrique : la surface inférieure diverge de 5°, la surface supérieure de 0° (figure 2-3) et les surfaces de côtés d’un angle respectif de 9.5° et -9.5°.

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FIGURE 2-3 : Schéma du modèle de la turbine de type bulbe du projet BulbT. Vue de côté.

Composants : (1) Piles, (2) bulbe, (3) Directrices, (4) Pales de roue, (5) Moyeu, (6) Diffuseur : cône, (7) Diffuseur : trompette. Image adaptée de Duquesne 2015.

Le tableau qui suit résume les caractéristiques de la turbine du projet BulbT.

TABLEAU 2-2 :Caractéristiques principales de la turbine de type bulbe du projet BulbT.

Variable Valeur

Diamètre de référence : diamètre de gorge au niveau de la roue1 Dref

Hauteur de la chute1 _H

ref

Angle des pales β 30.2° (constant)

Nombre de pales de la roue 4

Nombre de directrices (réglable)2 16

Demi-angle de divergence du cône du diffuseur (symétrique) 10.25° Angles de la partie rectangulaire du diffuseur (Trompette) 0° supérieur

5° inférieur et 9.5° côtés latéraux

Vitesse de rotation1 Ωref [rad/s], Nref [tr/s]

1_{Les valeurs de référence ne sont pas données pour des raisons de confidentialité.} 2 _{L’angle d’ouverture des directrices est réglable et il est le seul paramètre à contrôler}

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2.4 Conditions d’opération de l’étude

La campagne de mesures à la sortie du diffuseur comporte cinq conditions d’opération (OP). La figure 2-4 montre la vitesse de rotation réduite en fonction du débit réduit pour les conditions d’opération mesurées par Duquesne 2015 et pour la présente étude. Les valeurs des débits réduits de la présente étude sont légèrement inférieures à celles de Duquesne 2015 (moins de 0.63 % de différence). Les différences de la vitesse de rotation réduite sont plus petites que 0.17 %. Dans la présente étude la vitesse de rotation réduite du modèle de la turbine a été pratiquement constante dans toutes les conditions d’opération (moins de 0.11 % de différence). La condition d’opération deux (OP2) est le point de meilleur rendement pour un angle de pale de β = 30.2° et une vitesse réduite de N11 =170 rpm.La condition OP2 a un

angle de pale plus ouvert et une vitesse réduite plus élevée que le meilleur point de rendement du modèle de turbine du projet BulbT (β = 22.5° et N11 =150 rpm). OP2 sera considéré

comme la condition d’opération de référence. La condition d'opération un (OP1) a un débit plus faible que la condition OP2. La condition trois (OP3) est localisée dans la cassure de la courbe de rendement, tandis que OP4 était localisée dans la cassure par Duquesne 2015. Les deux dernières conditions d'opération (OP4 et OP5) sont situées après la chute abrupte du rendement et de la puissance extraite.

FIGURE 2-4 : La vitesse de rotation réduite en fonction du débit réduit. La ligne bleue présente les

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Le tableau 2-3 présente les cinq conditions d’opération de la présente étude. Le tableau 2-4 présente une description qualitative de la zone de décollement mesurée par Duquesne 2015. La zone de décollement est de plus en plus grande et de plus en plus fréquente avec l’ouverture des directrices après OP2.

TABLEAU 2-3 :Les cinq conditions d’opération à l'étude.

Condition d’opération Angle des directrices (°) Débit unitaire Q11 Rendement ref

η/η

OP2(OPde référence) αref 2.325 1.000

OP3 αref +1.101 2.339 0.975

OP4 αref +2.808 2.366 0.949

OP5 αref +4.805 2.404 0.931

TABLEAU 2-4:Description de la zone de décollement mesurée par Duquesne 2015

Condition d’opération Taille de la zone décollée (diffuseur)

OP1 Absente

OP2(OPde référence) Petite face (Y-)

OP3 Moyenne dans le coin (X+ et Y-)

OP4 Grande dans le coin (X+ et Y-)

OP5 Très grande dans le coin (X+ et Y-)

2.5 Principe de fonctionnement de la technique LDV

La technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisée pour déterminer le champ de vitesse à la sortie du diffuseur. Les trois composantes de vitesse qui ont été obtenues sont : la composante axiale ou débitante Cz et les deux composantes

transversales, la vitesse Cx, dans le plan horizontal et la vitesse Cy, dans le plan vertical.

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FIGURE 2-5: Schéma de la technique LDV à deux paires de faisceaux à la sortie du diffuseur de la turbine BulbT. Image adaptée de Lemay 2014.

Le système LDV qui a été utilisé est non intrusif, ce qui permet d'obtenir deux composantes de vitesse dans un très petit volume de mesure (souvent considéré comme un point). Le laser (1 figure 2-5) émet deux paires de faisceaux qui sortent du filtre à couleur (3 figure 2-5), une paire de faisceaux verts (514.5 μm) utilisée pour mesurer la composante de vitesse débitante

Cz et une paire des faisceaux bleus (488 μm) utilisée pour mesurer une des composantes de

vitesses transversales (soit Cx ou Cy). Les quatre faisceaux laser de la sonde (4 figure 2-5) se

croisent en un point créant un volume de mesure (5 figure 2-5) contenant un patron de franges de lumière qui seront traversées par les particules. Les particules sont ensemencées dans l’écoulement de la boucle d’essai fermée. La figure 2-6 présente le volume de mesure.

Figure 2-6 : Volume de mesure. δf est la distance interfrange et df est le diamètre des faisceaux

à la focale. Le volume de mesure a pour dimensions a, b et c. Image adaptée de Dantec Dynamics 2006.

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Les particules utilisées sont des sphères creuses de verre recouvertes d’argent, de taille moyenne 10 μm, ayant une densité relative à l’eau de 1.4. Lorsque celles-ci traversent le patron de franges, la lumière est diffusée. La diffusion est alors captée par le photo-détecteur (6 figure 2-5) afin d’être convertie en signal électrique pour pouvoir être lue par un processeur BSA (7 figure 2-5) et de déterminer la vitesse de la particule. La vitesse mesurée (équation 2-1) est fonction de la distance entre les franges δf (figure 2-6) et de la fréquence de battement

fD. La fréquence de battement est la différence entre les deux fréquences de la lumière

diffusée sur une particule (effet Doppler) de deux faisceaux qui ont une même longueur d’onde et qui se croisent dans le volume de mesure.

f D

C

 



f

où la distance entre franges est définie par l’équation (2-2)

 

f

2sin







où λ est la longueur d’onde d’une paire de faisceaux (par exemple : 514.5 μm pour les faisceaux verts) et ϕ est le demi-angle entre les deux faisceaux lasers (figure 2-6).

Pour déterminer le sens de déplacement des particules, le système utilise un modulateur acousto-optique (MAO) dans la cellule de Bragg (2 figure 2-5), où la fréquence d’un seul des deux faisceaux lasers est augmentée et en conséquence déphasée avec une fréquence de décalage fixe de fshift = 40 MHz. La fréquence de décalage est nécessaire. Quand une particule

passe par le volume de mesure dans un sens ou dans l’autre, elle génère la même fréquence de battement sur le signal lumineux. Par contre, avec la cellule de Bragg, une fréquence de battement supérieure ou inférieure à la fréquence de décalage fshift imposée indique que la

particule détectée circule dans une direction ou dans l’autre de l’écoulement.

2.5.1 Description des montages LDV

La configuration géométrique du diffuseur est montrée à la figure 2-7. Le cône est réalisé en acrylique transparent et la trompette en tôle d’acier. Trois fenêtres optiques donnent accès à

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un plan proche de la sortie de la trompette (uniquement deux sont visibles sur la figure 2-7). La première fenêtre se situe sur la partie supérieure du diffuseur, la deuxième du côté de l’axe transversal positif (X+) et la troisième du côté de l’axe transversal négatif (X-).

FIGURE 2-7 : Diffuseur de la turbine modèle du projet BulbT.

Pour obtenir les trois composantes de vitesse avec une sonde LDV à deux composantes, il faut utiliser deux montages successifs. Comme le montrent les schémas des faisceaux de la figure 2-8, dans le montage de l’image à gauche, la sonde est parallèle à un plan (YZp) et mesure les composantes U1 et U2. Dans le second montage de l’image à droite, la sonde est

parallèle à un plan (XZ) et mesure les composantes U2 et U3. Si on mesure au même point du

référentiel avec ces deux montages, alors on obtient en ce point les trois composantes de vitesse.

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FIGURE 2-8 : Mesure des trois composantes de vitesse sur les axes (X, Y et Z) avec une sonde à deux composantes. Image adaptée de Dantec Dynamics 2006.

Trois montages ont été réalisés comme suit pour la présente recherche : le premier sur la partie supérieure de la sortie du diffuseur, le deuxième du côté de l’axe transversal positif (X+) et le troisième du côté de l’axe transversal négatif (X-). Le premier montage est placé au-dessus de la trompette, la sonde est verticale. Ce montage permet la mesure de la vitesse débitante Cz et de la vitesse transversale Cx. Dans les deux autres montages, le laser est placé

perpendiculairement à un côté de la trompette et permet l’acquisition de la vitesse transversale Cy et d’une vitesse parallèle aux parois des côtés du diffuseur (Czp, composé des

vitesses Cz et Cx).

La localisation du plan de mesure est présentée dans la figure 2-9. Le plan de mesure est placé à une distance de 3.12 Dref à partir du zéro de référence de la machine. La figure 2-9 à

gauche présente une vue de la machine de l’aval vers l’amont. La section de mesure est représentée par un trait bleu et les axes transversaux X et Y par des flèches noires. La figure 2-9 de droite montre une vue en coupe au niveau du plan de mesure de l’amont vers l’aval. L'accès optique supérieur et les accès optiques latéraux sont aussi visibles sur cette figure.

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FIGURE 2-9 : Plan de mesure à la sortie du diffuseur à une distance Z=3.12 Dref. Le plan est

localisé exactement au centre de la fenêtre supérieure de la trompette.

Les trois figures 2-10, 2-11 et 2-12 présentent respectivement le montage supérieur, de côté (X+) et de côté (X-). Dans chacune d’elles, un dessin CAO prévisionnel du montage et une photo du montage réel sont montrés.

La figure 2-10 présente le montage de la zone supérieure de la trompette. Deux systèmes de déplacement ont été installés pour assurer le déplacement de la sonde laser sur les axes transversaux (X et Y). Une lentille d’une longueur focale de 1000 mm a été utilisée pour ce montage. Ce montage permet de mesurer à la fois la composante de vitesse débitante Cz et la

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FIGURE 2-10 : Montage supérieur. Dessin à gauche, photo du montage à droite.

La figure 2-11 présente le montage latéral du côté (X+). Trois systèmes de déplacement ont été alignés en fonction de l’angle de divergence latérale de la trompette. Les systèmes de déplacement ne sont pas parallèles au plan (YZ) du système d’axe du projet.

Les systèmes de déplacement sont rangés de la manière suivante : le système de déplacement (Mz) est parallèle à la fenêtre « côté+ », donc avec l’angle de divergence de 9.5° que possède la trompette sur le côté (X+). Le système de déplacement (Mx) est perpendiculaire à la fenêtre « côté+ » et permet le déplacement horizontal de la sonde sur le plan de mesure et le système de déplacement (My) permet le déplacement vertical. Le déplacement couplé des systèmes de déplacement Mz et Mx permet de parcourir un plan (XY) à Z contant.

Une lentille d’une longueur focale de 402.5 mm a été utilisée pour obtenir la composante de vitesse transversale Cy et la composante de vitesse parallèle aux parois des côtés du diffuseur

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FIGURE 2-11 : Montage latéral du côté de l’axe (X+). Mz est le système de déplacement parallèle à l'aspirateur. Mx correspond au système de déplacement horizontal et My au système de

déplacement vertical.

La distance focale de la sonde ainsi que la taille des fenêtres ne permettaient pas de parcourir l’ensemble de la section de mesure par la fenêtre « côté+ ». Un montage similaire « côté- » a été requis pour parcourir le reste de la zone de mesure. La figure 2-12 présente le montage latéral du côté de l’axe (X-). Le montage dispose des mêmes caractéristiques que le montage latéral du côté de l’axe (X+), mais avec un angle de -9.5°.

Les caractéristiques principales des lentilles de la sonde laser utilisée sont répertoriées dans le tableau 2-5.

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FIGURE 2-12 : Montage latéral du côté de l’axe (X-). Mz est le système de déplacement parallèle à l'aspirateur. Mx correspond au système de déplacement horizontal et My au système de

déplacement vertical.

TABLEAU 2-5 : Caractéristiques des lentilles de la sonde LDV.

Caractéristique Lentille F1000 Lentille F402.5

Montages Supérieur Latéraux

Diamètre de la sonde 60 mm 60 mm

Longueur focale (Lfocale)1 1000 mm 402.5 mm

Distance entre faisceaux à la sortie de la sonde (Lfaisceaux)1

77.29 mm 39.04 mm

Diamètre initial des faisceaux (Dfaisceaux)

2.16 mm 2.16 mm

Angle des faisceaux dans l’air (ϕL,air,∆perp = ϕ) 1

2.21º 2.78º

1_{Ces valeurs seront utilisées au chapitre 3, dans l’analyse d’incertitudes.}

Les dimensions et caractéristiques du volume de mesure qui a été montré à la figure 2-6 sont résumées au tableau 2-6. Le montage supérieur a un volume de mesure de 0.1204 mm3 et les montages latéraux de la trompette ont un volume de mesure de 0.0486 mm3. L’intersection des volumes de mesure est un espace tridimensionnel qui est traversé par les particules