DENOYAGE DES ROUES DE TURBINES DE CHASTANG ET DE L'AIGLE

N ° SPÉCIAL B / 1 9 5 4 — "11

Denoyage des roues de turbines de Chastang et de l'Aigle

De-watering of the turbine runners at Chastang and l'Aigle

P A i t

E. F O N T A I N E

C H E F D E G R O U P E D E P R O D U C T I O N A L ' É L E C T R I C I T É D E F R A N C E

L e s besoins de l'exploitation peuvent nécessiter la marche d'un groupe hydro-électrique « e n synchrone » : admission d'eau fermée et alter- nateur fonctionnant en moteur synchrone. La turbine pouvant se trouver plusieurs mètres au-dessous du niveau aval, la roue barbotte dans l'eau en absorbant de l'énergie et en s'échauffant.

La communication a pour objet la description de quelques modalités particulièrement inté- ressantes de denoyage par injection d'air com- primé en des points de la turbine judicieuse- ment choisis. Cette opération a pour consé- quence essentielle une diminution importante de l'énergie absorbée par l'alternateur.

The operating requirements of a hijdro-electric unit can necessitate its working " en syn- chrone " : the mater intake shut and the alternator working as a synchronous motor.

As the turbine may be several mètres below the downstream level the runner splashes in tlie water absorbing energy and becoming heated.

The object of the paper is to describe a few particularly interesting means of de-watering by introducing compressed air at carefully chosen points in the turbine. The essential conséquence of ihis opération is to greally decrease the energy absorbed by the alternator.

I. ~ - G É N É R A L I T É S . FONCTIONNEMENT EN SYNCHRONE DE LA ROUE NOYÉE

a) Mouvement de l'eau dans le plan horizontal.

L a r o u e e s t e n t r a î n é e p a r l ' a l t e r n a t e u r f o n c - t i o n n a n t e n m o t e u r s y n c h r o n e ; l ' e a u r e s t a n t d a n s la t u r b i n e e s t m i s e e n r o t a t i o n et l'effet d e la force c e n t r i f u g e m a i n t i e n t la b â c h e e n p r e s s i o n .

L ' o u v e r t u r e d u v a n n a g e f r e i n a n t c e t t e r o t a t i o n de l ' e a u a p o u r c o n s é q u e n c e d ' u n e p a r t u n e a u g - m e n t a t i o n d e s p e r t e s p a r b r a s s a g e et d ' a u l n e p a r t u n e d i m i n u t i o n d e la p r e s s i o n d a n s la b â c h e . C'est a i n s i q u ' à C h a s t a n g ( p u i s s a n c e n o m i n a l e 134.000 c h , 150 t / m , H n = 7 0 m , N⁸ =-- 2 5 4 ; on

C ) L ' e a u d é t e n d u e d a n s l e j o i n t s u p é r i e u r d e l a r o u e e s t é v a c u é e , d ' u n e p a r t , d a n s l e t u y a u d ' é q u i l i b r a g e , d ' a u t r e p a r t , à t r a v e r s d e s o r i f i c e s d é b o u c h a n t à l ' i n t é - r i e u r d e l ' o g i v e p e r f o r é e (la p r e s s i o n d i s p a r a î t c o m p l è t e - m e n t q u a n d l a r o u e e s t d é n o y é e , d e m ê m e , la p u i s s a n c e a b s o r b é e p a r l ' a l t e r n a t e u r t o m b e a l o r s à 2.500 k \ V ) .

r e l è v e les chiffres s u i v a n t s , les v a n n e s b y - p a s s é t a n t f e r m é e s :

PRESSION POSITION

d i s t r i - b u t e u r ( o u v e r t u r e

e n 1 / 1 0 )

B â c h e ( a x e ) m / e a u

T u y a u é q u i l i b r a g e "

m / e a u

l'CISSAN a b s o r b k\V

0 / 1 0 2 0 2 à 3 1 5 , 5

1 / 1 0 2 1 o à 3 1 5 , 5

2 / 1 0 2 0 2 à 3 1 4 , 3

3 / 1 0 16 1,9 à 2,1 1 3 , 0

4 / 1 0 14 1,0 à 2 , 1 1 3 , 0

5 / 1 0 11 1,9 à 2 , 1 1 5 , 5

0 7 1 0 8 , 5 1,5 à 2 1 8 , 2

7 / 1 0 3 1,2 à 1,8 2 0 , 8

8 / 1 0 2 1,1 à 1,6 2 0 , 8

9 / 1 0 2 1,2 à 1.8 2 0 , 8

1 0 / 1 0 2 1,3 a 1.8 2 0 , 8

Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1954014

7 1 2 — L A H O U I L L E B L A N C H E N " SPÉCIAL B / 1 9 5 4

b) Mouvements de Veau à travers la roue.

D a n s le c a s de t u r b i n e s à v i t e s s e spécifique m o y e n n e , o n c o n s t a t e q u e les p e r t e s p a r b r a s s a g e n ' e n t r a î n e n t p a s d ' é c h a u f ï e m e n t s e n s i b l e de l'eau et d e la r o u e , ce q u i p o u r r a i t ê t r e d û a u fait q u e le r a y o n de l ' a r ê t e a m o n t d e s a u b e s e s t p l u s g r a n d à la p a r t i e i n f é r i e u r e q u ' à la p a r t i e s u p é r i e u r e , d i s p o s i t i o n f a v o r a b l e à la n a i s s a n c e à t r a v e r s la r o u e d ' u n e c i r c u l a t i o n a c t i v e , se r é p e r c u t a n t j u s - q u e d a n s l ' a s p i r a t e u r .

P a r c o n t r e , d a n s les t u r b i n e s à faible N^s ( B r o m - m a t p a r e x e m p l e ) , le d i a m è t r e e x t é r i e u r d e s a u - b a g e s e s t c o n s t a n t s u r t o u t e la h a u t e u r d u d i s - t r i b u t e u r , la c i r c u l a t i o n d ' e a u à t r a v e r s la r o u e e s t r é d u i t e , l ' é l é v a t i o n d e t e m p é r a t u r e a t t e i n t e n q u e l q u e s m i n u t e s 4 0 ° .

II. — D I F F É R E N T E S MODALITÉS D E DÉNOYAGE

1° Premier essai à Chastang. — Injection de l'air au-dessus de la roue.

P r é c i s o n s q u e les c o n d i t i o n s de n o n - c a v i t a t i o n o n t c o n d u i t le c o n s t r u c t e u r à i m p l a n t e r la t u r - b i n e à u n e a l t i t u d e t e l l e q u e la c o n t r e - p r e s s i o n a v a l s o i t e n m o y e n n e d e 3,5 m s u r l ' a x e d u d i s - t r i b u t e u r .

U n c o m p r e s s e u r a s p i r a n t 750 1/s r e f o u l a i t l ' a i r d i r e c t e m e n t s u r le p l a f o n d p e r c é d e la r o u e p a r le t u y a u d ' é q u i l i b r a g e f e r m é à l ' a u t r e b o u t .

D a n s u n p r e m i e r e s s a i , l a v a n n e p a p i l l o n d e g a r d e é t a i t f e r m é e , les b y - p a s s é t a i e n t l a i s s é s o u - v e r t s p o u r a s s u r e r le r e f r o i d i s s e m e n t de la r o u e p a r les f u i t e s d u d i s t r i b u t e u r m a i n t e n u f e r m é . A y a n t o b s e r v é q u e m a l g r é la f o r t e p u i s s a n c e a b - s o r b é e e n b a r b o t a g e la t e m p é r a t u r e de l a zone b r a s s é e n ' a u g m e n t a i t p a s , l ' e s s a i fut p o u r s u i v i b y - p a s s f e r m é s e n t o u t e s é c u r i t é d u p o i n t de v u e

r- Infection d'air jll principe initial

t e m p é r a t u r e . O n n o t a i t t o u t e f o i s q u e ce f o n c t i o n - n e m e n t en b a r b o t a g e é t a i t t r è s b r u y a n t et q u e l e s c a v i t a t i o n s s u r les p a r o i s e t les a u b a g e s fai-

s a i e n t v i b r e r la t u r b i n e .

A p r è s u n e l o n g u e a t t e n t e d a n s c e s p r e m i è r e s c o n d i t i o n s d ' e x p é r i e n c e , o n d û t c o n c l u r e à l'éli- m i n a t i o n d e ce p r o c é d é ; l ' a i r i n t r o d u i t s o u s f o r m e d ' u n f a i b l e d é b i t c o n t i n u se d i v i s a i t p a r le b r a s - s a g e e n u n e é m u l s i o n fine q u e les c o u r a n t s d e c o n v e c t i o n c r é é s p a r l ' a u b a g e d e la r o u e r e j e t a i e n t a u bief a v a l .

A a u c u n m o m e n t n e se c r é a i t u n e s u r f a c e li- b r e de s é p a r a t i o n a i r - e a u .

2° Injection d'air dans la bâche.

S u r les c o n s e i l s d u c o n s t r u c t e u r d e la t u r b i n e f u t m i s e n s u i t e e n a p p l i c a t i o n , e n n o v e m b r e 1953, u n m o d e d ' i n t r o d u c t i o n d ' a i r l i m i t a n t les p e r t e s p a r é m u l s i o n et a y a n t p o u r effet de c r é e r , d è s le d é b u t d e l ' o p é r a t i o n , u n e s u r f a c e d e n i - v e a u d e s é p a r a t i o n d e s d e u x fluides. (Brevet n " 1.047.455 d é p o s é le 3-1-1952.)

D e l ' a i r fut r e f o u l é e n u n p o i n t h a u t d e la b â c h e a v e c le c o m p r e s s e u r c a p a b l e d ' u n d é b i t a s p i r é d e 750 1/s.

L e d i s t r i b u t e u r é t a i t m a i n t e n u à u n e o u v e r t u r e v o i s i n e d e 2 , 5 / 1 0 ° ; le p a p i l l o n d e g a r d e a i n s i q u e les b y - p a s s é t a i e n t f e r m é s . L e s c o n s t a t a t i o n s f u r e n t les s u i v a n t e s :

A u d é b u t d e l ' i n s u f f l a t i o n , la p r e s s i o n d a n s la b â c h e é t a i t de 2,6 k g p a r c m²; le c o n t r ô l e d e l ' a b a i s s e m e n t d u n i v e a u de l ' e a u d a n s la b â c h e se f a i s a i t p a r p u r g e u r s é t a g e s . A p r è s 15 m i n u t e s e n v i r o n d e ce r é g i m e , le d é n o y a g e s'effectuait

b r u s q u e m e n t et le n i v e a u d ' e a u d a n s l ' a s p i r a t e u r é t a i t r e f o u l é t r è s a u - d e s s o u s de l a r o u e ( j u s q u ' a u c o u d e de l ' a s p i r a t e u r et a v e c u n l â c h e r d ' a i r en excès à l ' a v a l ) .

E n fin d ' o p é r a t i o n , la p r e s s i o n d ' a i r d a n s la b â c h e et d a n s l ' a s p i r a t e u r é t a i t é v i d e m m e n t c o n - d i t i o n n é e p a r la c h a r g e d ' e a u a v a l s u r le c o u d e de l ' a s p i r a t e u r .

Il suffisait e n s u i t e p o u r e n t r e t e n i r le d é n o y a g e d ' u n d é b i t d ' a i r a b s o l u m e n t i n f i m e ; o n p u t m ê m e f o n c t i o n n e r p e n d a n t u n e d i z a i n e d ' h e u r e s s a n s a i r d ' e n t r e t i e n .

P a r la s u i t e , a u c o u r s d ' e s s a i s u l t é r i e u r s en m a r s 1954, l ' o p é r a t i o n é t a i t p a r a c h e v é e p a r la d é - c h a r g e d ' u n r é s e r v o i r d e 22 m^{; t} s o u s u n e p r e s s i o n i n i t i a l e a b s o l u e d e 6 à 7 k g . L e d é n o y a g e était o b t e n u e n 7 m i n u t e s .

L a q u a n t i t é t h é o r i q u e d ' e a u à c h a s s e r é t a i t r e l a t i v e m e n t i m p o r t a n t e (590 m^{: :}, r e p r é s e n t a n t le v o l u m e d e l a b â c h e à l ' a v a l d e la v a n n e d e p i e d , e n t r e s o n p l a f o n d et le s e u i l d e s d i r e c t r i c e s , p l u s le v o l u m e i n t é r i e u r d e la r o u e e t d e la p a r t i e d e l ' a s p i r a t e u r j u s q u ' à la c e i n t u r e i n f é r i e u r e ) ; l ' o u - v e r t u r e d u v a n n a g e a u x e n v i r o n s d e s 8 / 1 0 p e u -

N" SPÉCIAL B/195-1 LA H O U I L L E B L A N C H E 7 1 3

d a n t le d e n o y a g e d i m i n u a i t de façon i n t é r e s s a n t e la p r e s s i o n d ' i n j e c t i o n (cf. t a b l e a u c h a p i t r e I) et le v o l u m e d ' a i r n é c e s s a i r e .

P a r c o n t r e , la d i m i n u t i o n de la c o n t r e - p r e s - s i o n q u e l ' o n é t a i t en d r o i t d ' a t t e n d r e d u de- n o y a g e n e se f a i s a i t r é e l l e m e n t s e n t i r q u ' e n fin d ' o p é r a t i o n , ce q u i e x p l i q u e q u e la d é t e n t e de la r é s e r v e d ' a i r c o m p r i m é se soit s u r t o u t révélée efficace e n fin de d e n o y a g e .

L ' é m u l s i o n n ' é t a i t p a s c o n s i d é r a b l e et Ja p e r t e d ' a i r d e ce fait n é g l i g e a b l e . D ' a i l l e u r s , la fin d u d e n o y a g e , d é d u i t e d e la l e c t u r e d u w a t i m è t r e , é t a i t effectuée a p r è s u n e i n j e c t i o n de 440 m³ e n v i r o n au lieu d e s 590 m^B t h é o r i q u e s . O n p e u t p e n s e r q u e , a u m o m e n t d u d e n o y a g e effectif, le n i v e a u de l'eau d a n s la b â c h e é t a i t e n c o r e s u p é r i e u r a u n i v e a u de la b a s e d u d i s t r i b u t e u r .

3" Variante au principe de denoyage par injec- tion dans la bâche.

Ces e s s a i s o n t été effectués, en c o l l a b o r a t i o n a v e c le c o n s t r u c t e u r , à l'Aigle, o ù les c o n d i t i o n s s o n t les s u i v a n t e s : p u i s s a n c e n o m i n a l e 53.860 c h ,

1.875 t / m , H„ = 66 m , n = 2 6 5 , c h a r g e d ' e a u a v a l a u n i v e a u de la c e i n t u r e i n f é r i e u r e de la r o u e : 2^sm .

D a n s le b u t de r é d u i r e le v o l u m e d ' a i r à in- j e c t e r , o n a l i m i t é d a n s u n e p r e m i è r e p h a s e le d e n o y a g e à la r o u e e l l e - m ê m e , en m a i n t e n a n t le d i s t r i b u t e u r f e r m é et la b â c h e p l e i n e d ' e a u , la v a n n e d e p i e d et le b y - p a s s é t a n t f e r m é s ; l ' a i r p o u v a i t ê t r e i n d i f f é r e m m e n t i n j e c t é e n t r e f l a s q u e et p a r t i e s u p é r i e u r e d u p l a f o n d de r o u e ou e n t r e d i s t r i b u t e u r e t r o u e . L a b â c h e é t a i t e n s u i t e len- t e m e n t v i d a n g é e ( p a r les fuites d u d i s t r i b u t e u r

p a r e x e m p l e ) ; p e n d a n t c e t t e o p é r a t i o n , la r o u e é t a i t m a i n t e n u e d é n o y é e p a r u n e soufflante b a s s e - p r e s s i o n ; p o u r r é d u i r e a u m i n i m u m la p r e s s i o n d ' e n t r e t i e n , c e t t e i n t r o d u c t i o n d ' a i r é t a i t , d e p r é f é r e n c e , faite e n t r e d i s t r i b u t e u r et r o u e .

Ce d i s p o s i t i f f o n c t i o n n a i t p a r f a i t e m e n t ; l ' a i r i n j e c t é p r o v e n a i t d ' u n r é s e r v o i r de 3 m^{; i} à u n e p r e s s i o n a b s o l u e d e 21 k g ; le d e n o y a g e était ef- fectif a p r è s 10", la p r e s s i o n d a n s le r é s e r v o i r é t a n t a l o r s t o m b é e à 13 k g . D e u x s o u f f l a n t e s de 750 m^{; i}/ h c h a c u n e a s s u r a i e n t le m a i n t i e n d u de- n o y a g e p e n d a n t l a v i d a n g e d e la b â c h e .

A v a n t d e n o y a g e , la p u i s s a n c e a b s o r b é e p a r l'al- t e r n a t e u r é t a i t de 5.000 k W avec d i s t r i b u t e u r f e r m é , 10.000 k W avec d i s t r i b u t e u r o u v e r t , la p r e s s i o n d a n s la b â c h e de 3,1 k g d a n s le p r e - m i e r c a s , 1,2 k g d a n s le s e c o n d . A p r è s d e n o y a g e , la p u i s s a n c e a b s o r b é e t o m b a i t à 1.000 k W . 4" Autre variante.

O n o p é r a i t c o m m e en (3), m a i s avec v a n n e de p i e d o u v e r t e , ce qui a u t o r i s a i t u n r e n o y a g e r a - p i d e ( 3 0 " a u lieu de l ' 3 0 ) . P a r c o n t r e , les fuites a u d i s t r i b u t e u r s u b s i s t a i e n t a v e c l e u r s i n c o n v é -

n i e n t s h a b i t u e l s : u s u r e d u d i s t r i b u t e u r et a u g - m e n t a t i o n n o n n é g l i g e a b l e fie la p u i s s a n c e a b s o r - bée n o t a m m e n t .

CONCLUSION

Ces n o m b r e u s e s e x p é r i e n c e s ont m i s en évi- d e n c e p l u s i e u r s p o s s i b i l i t é s de d e n o y a g e r a p i d e ; la m o d a l i t é p a r a i s s a n t la p l u s i n t é r e s s a n t e e s t celle d é c r i t e s o u s 3 " , en r a i s o n de la b r i è v e t é de l ' o p é r a t i o n et d u faible v o l u m e du r é s e r v o i r d ' a i r c o m p r i m é n é c e s s a i r e .

D I S C U S S I O N

(.Président : M . Gauiel)

M.

AnNOttx

M. F O N T A I N E e s t i m e q u e l'on n'a p a s i n t é r ê t , t o u t e f o i s , à u t i l i s e r u n e p r e s s i o n f o r t e a u d é p a r t , c a r c'est g a s p i l - l e r l e p o t e n t i e l de l'air, qui se perd a u m o m e n t de la d é t e n t e .

M. l e P r é s i d e n t r a p p e l l e q u e le p r o b l è m e c o n s i s t a n t à f a i r e t o u r n e r les a l t e r n a t e u r s e n m o t e u r s s y n c h r o n e s e n a b s o r b a n t le m o i n s d ' é n e r g i e p o s s i b l e a v a i t é t é r é s o l u , a n t é r i e u r e m e n t a u d e n o y a g e , p a r l a f e r m e t u r e d e s v a n n e s d ' a d m i s s i o n , ce q u i e n t r a î n a i t , t o u t e f o i s , l ' o b l i g a t i o n d e r e f r o i d i r l e s l a b y r i n t h e s . Q u e l e s t l ' a v a n t a g e d u d e - n o y a g e s u r ce p r o c é d é ?

il. F O N T A I N E r é p o n d q u e le p r o b l è m e a c t u e l , q u i est la p r o d u c t i o n d ' é n e r g i e r é a c t i v e s u r le r é s e a u à c e r t a i n e s

p é r i o d e s d e la j o u r n é e , a u r a i t p u ê t r e r é s o l u de p l u s i e u r s f a ç o n : 1" l a f e r m e t u r e d u d i s t r i b u t e u r , q u i a l ' i n c o n v é - n i e n t d e g a s p i l l e r d e l ' e a u e t d e f a i r e t r a v a i l l e r la r o u e el l e d i s t r i b u t e u r d a n s d e m a u v a i s e s c o n d i t i o n s ( l a m i - n a g e ) ; 2" la f e r m e t u r e d e la v a n n e d e g a r d e , m a i s a l o r s l a r o u e q u i e s t p l a c é e a u - d e s s o u s d u p l a n d ' e a u a v a l , est n o y é e e t s o n e n t r a î n e m e n t e m p r u n t e de l ' é n e r g i e a u ré- s e a u ; 3° l ' a l i m e n t a t i o n p a r le b y - p a s s q u i , c o m m e cela a l i e u à B r o m m a t , f e r m e le h a u t d u v a n n a g e e l r é d u i t l e s p e r t e s p a r r a p p o r t à la m a r c h e à v i d e , m a i s g a s p i l l e de l'eau e t a b s o r b e a u s s i d e l ' é n e r g i e , la r o u e n ' é t a n t d é - n o y é e q u ' e x c e p t i o n n e l l e m e n t . Le p r o c é d é d u d e n o y a g e tel q u ' i l e s t p r o p o s é r é s o u t ce t r i p l e p r o b l è m e et p e r m e t d ' a s - s u r e r la c o n t i n u i t é d e la m a r c h e d u r é s e a u d ' E l e c t r i c i t é d e F r a n c e , g r â c e à l a p o s s i b i l i t é d o n n é e à u n g r o u p e h y d r a u l i q u e , c o m m e C h a s t a n g , d e p a s s e r , en d e u x m i - n u t e s , d e l a m a r c h e e n v e i l l e u s e à la m a r c h e â p l e i n e c h a r g e . La p r i s e e n c h a r g e i n s t a n t a n é e d ' u n e t e l l e p u i s - s a n c e p a r u n e c e n t r a l e t h e r m i q u e n é c e s s i t e r a i t u n e t e n u e p e r m a n e n t e d e s c h a u d i è r e s s o u s p r e s s i o n , d o n c un g a s p i l - l a g e i m p o r t a n t de c o m b u s t i b l e .