IV.1.1.3. Choix de la disposition de la turbine7
La disposition verticale convient le mieux, par le fait que la
puissance unitaire d'une turbine est de 56 MW beaucoup supérieure au
seuil fixé pour une disposition horizontale (Puissance < 10 MW). Et
cela permet :
7 Selon la firme française ALSTOM
: constructeur et monteur des groupe turbine-alternateur.
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? D'éloigner le générateur de la turbine ce
qui sera utile mais conduit à appliquer sur le plancher de la salle de
machine le poids du mobile. ? De réduire l'encombrement de la salle des
machines.
IV.1.1.4. Détermination de la vitesse
d'emballement
La vitesse d'emballement ???? est la vitesse maximale qu'une
turbine peut atteindre sous une chute donnée lorsqu'elle fonctionne
à vide. Elle se situe entre 1,5 et 3,5 fois la vitesse nominale selon le
type de la turbine. Et à cette vitesse elle provoque de
dégâts énormes, car il est impossible de
l'arrêter.
A titre indicatif pour un projet, nous adoptons les
données suivantes pour une
|
turbine Francis.
? Pour ????= 40
? Pour ????= 80
|
?
?
|
?80
?120
|
????
???? = 1,7?? 2,0
????
2,0 ? ? 2,2
|
|
???? =
|
Avec nn : vitesse de rotation nominale.
Pour notre cas nq se situe entre 40 = ???? =
80, la vitesse d'emballement est de ???? = ??, ???????????? ????????
??????,?????? ????/??????
III.1.1.5. Eléments de construction de la
turbine Francis
La turbine Francis, dans sa forme moderne, est composée
des éléments
suivants :
1°. Une bâche spirale : reçoit l'eau sous
pression de la conduite forcée et la distribue vers l'intérieur
de l'anneau qu'elle forme. Sa tenue mécanique est assurée par un
cercle d'entretoises profilées en acier.
2°. Le distributeur est placé au niveau de
l'anneau de la bâche spirale. Ses vingt à trente aubes
orientables, placées dans le prolongement des entretoises en
acier-chrome, permettent d'ajuster le débit-volume turbine.
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Figure 4.3 partie principale d'une
turbine
3°. Une roue à admission radiale centripète
à sortie axiale forme le coeur de la turbine. C'est la seule
pièce tournante. Elle comporte dix à vingt aubes non orientables
(mat. Acier Chrome inoxydable)
4°. Le diffuseur ou aspirateur reçoit l'eau
à la sortie de la roue et la conduite à la sortie de la turbine
comme son non l'indique, il permet d'abaisser la pression de la roue, sous
l'effet du dénoyage éventuel de la machine et grâce
à une augmentation progressive de sa section de passage.
IV.1.1.6. Phénomènes particuliers de la
turbine Francis
Une roue Francis est souvent, pendant son fonctionnement le
siège des deux phénomènes très dangereux qui
doivent être prise en compte lors de la conception et le choix de la dite
turbine. Il est donc important pour notre travail que nous en parlons à
savoir :
? La cavitation
? Le tourbillon de Von KARMAN (ou encore
Vortex)
1°. Cavitation
La cavitation est la formation en un point de
l'écoulement des bulles d'air lorsque la pression en ce point est
inférieure à la tension vapeur (la pression à laquelle le
liquide se vaporise) qui est de 22 mm Hg (soit : 29,326. 102 Pa) ou
encore : de nids de vapeur
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au sein d'un liquide ou presque toujours à
proximité immédiate de la surface limitrophe, contrairement au
phénomène d'ébullition, qui peut être
provoqué par un apport de la chaleur ou par une diminution de la
pression du liquide. Le phénomène de cavitation consiste en une
vaporisation locale : une implosion.
La cavitation prend naissance ; soit par accroissement de
vitesse qui se traduit par une baisse de pression locale, soit par une
réduction de la pression à la sortie de la roue qui favorise
l'apparition de la cavitation.
La cavitation détruit le matériel par ses
martellements avec comme conséquence l'érosion des aubes,
diminution de la durée de vie, c'est pour cette raison que les
constructeurs effectuent des essais en laboratoire qui ont pour objet de
déterminer le degré et le genre de cavitation. Ces essais
détermineront le coefficient de cavitation ou coefficient de Thoma :
(???? - ???? - ????)
?? = (4.12)
????
Où, - ??: coefficient de cavitation ou de Thoma
- h?? : pression atmosphérique
- h?? : pression vapeur (m)
- h?? : hauteur d'aspiration
- h?? : chute nette
Il y a lieu, pour notre turbine de calculer la hauteur limite
maximale h?? d'aspiration (avec hn= 128,3 ??)
? Variation de la pression atmosphérique donnée par
tableau (Atmosphère normalisée internationale INA)
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Tableau 4.3. Pression atmosphérique en
fonction de l'altitude.
|
Altitude [m]
|
0
|
500
|
1000
|
200
|
|
???? [??l
|
10
|
9,42
|
8,87
|
7,84
|
En appliquant la méthode de Lagrange nous trouvons pour
l'altitude 870, h?? = 8,7 ?? ? Variation de la pression de dégagement de
vapeur, tableau ci-après :
Tableau 4.4. Pression en fonction de la
température.
|
Température
|
|
|
|
|
|
|
|
C°
|
8
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
|
Hv [m]
|
0,105
|
0,125
|
0,155
|
0,24
|
0,325
|
0,435
|
La température moyenne de l'eau est de 20°C. Alors
que la pression de dégagement vapeur h?? est de 0,24.
En pratique, différentes recherches nous ont
montré que pour une turbine Francis, le coefficient de Thoma est
donné par :
??,??????
??= ??, ???????? ( ????
??????) (4.13)
Avec,
n?? = 185,6 tr/??in
??: Le coefficient de cavitation est de ?? = 0,090
La hauteur limite h?? pour que la turbine ne soit pas trop
exposée au phénomène de cavitation en partant de la
formule (4.12), nous trouvons :
h?? = h?? - ??h?? - h?? = -??,?????? ??
Niveau aval de l'eau
h?? = 3,087??
Pour d'autres débits, en particulier pour les
débits inférieurs, entre 40 et 60% du débit nominal, le
tourbillon de sortie devient très intense et il peut provoquer de
violentes
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La hauteur d'installation est donc directement liée au
phénomène de cavitation, raison pour laquelle lorsqu'on implante
un groupe, avec beaucoup de compromis à trouver au niveau d'installation
(les excavations sont généralement très coûteuses
pour abaisser le niveau d'installation) on n'y remédie pas, mais on
attenue les effets de la cavitation. Pour ce faire, on utilise :
? Les compresseurs de stabilisation au niveau
présumé de la cavitation ? Les hydro injecteur ou hydro
émulseur
Ce qui permet plusieurs plages de fonctionnement de la turbine
Francis suivant la vitesse. Sinon, la turbine ne fonctionnera pas que pour les
plages compris entre 0 à 20% et 40 à 60% de sa vitesse
nominale.
a) Hydro émulseur
Une émulsion d'air et d'eau produit par un hydro
émulseur est injectée au-dessus de la roue et la traverse
axialement pour être distribuée par la pointe de roue qui elle est
perforée des trous. L'eau sous pression alimentant
l'hydro-émulseur est prélevée immédiatement en aval
de la vanne sphérique.
Si pour notre projet nous utilisons un hydro-émulseur,
sa pression doit être supérieure à
12,83Kgf/cm2
b) Aspiration naturelle
Une gaine d'aération avec prise d'air extérieur
et de distributeur installé à l'écluse de l'aspirateur
permettent dès qu'un vide se crée à cet endroit, cette
dépression fait que l'air soit aspiré.
2°. Tourbillon de Von KARMAN ou encore
vortex
L'écoulement dans une turbine à réaction
se compose à l'entrée de la roue et d'un tourbillon à la
sortie de la roue. Ce dernier ne disparait complètement qu'au point de
meilleur rendement ??.
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instabilités qui peuvent être néfastes et
même entrer en résonnance avec la fréquence propre de
l'aube.
Figure 4.4. Phénomène de vortex dans
turbine Francis
Les instabilités sont dues au phénomène
de la torche de cavitation au coeur du tourbillon de sortie là où
la pression est basse il se forme une colonne, ou force de vapeur d'eau (figure
4.4) plus avant dans l'aspirateur cette torche vapeur implose violemment, il
s'ensuit des chocs à basse pression qui peuvent mettre en danger
l'installation.
Charges dynamiques élevées sur la machine et les
fondations (appuis) En induisant des pulsations de pression dans la conduite et
par là des fluctuations de débit et de puissance. Ce
phénomène peut être difficile à prévoir, on
peut y remédier selon divers dispositifs décrit :
? Soit en désorganisant la rotation de la torche par
des systèmes guide-eau placés dans l'aspirateur
l Soit le plus souvent par l'entrée d'air à un
endroit précis, naturelle ou forcée, cet air permet d'amortir les
chocs et éventuellement de modifier la fréquence ou pulsation,
mais il peut entraîner une baisse de rendement de la turbine 1 à
2%.
La quantité d'air nécessaire varie en fonction de
l'endroit d'injection et du débit turbiné en
général on adopte les valeurs suivantes :
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? Injection en aval de la roue = 0,2 à 5% du débit
turbiné
? Injection en amont de la roue = 0,2 à 5%o du
débit turbiné.
Il est vraiment important de souligner le domaine de
fonctionnement prévu pour la turbine dans le cahier de charge afin que
les fournisseurs ne négligent pas le phénomène de la
torche et prennent dans le cas échéant les mesures
préventives car on peut aussi utiliser une grille anti-vortex.
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