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turbomachinaries hydraulic
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EPFL Année 2002-2003 Section de Génie Mécanique
TURBOMACHINES HYDRAULIQUES
J.L. KUENY EPFL/LMH - Prof. INPG
Programme
1 Présentation du cours, rappels et généralités pompes 2 Les équations des turbomachines hydrauliques Prof. F. AVELLAN 3 Applications et généralités turbines 4 La cavitations + démonstration tunnel de cavitation Doc. M. FARHAT, LMH 5 Applications + démonstration plate-forme d’essais de turbine 6 La similitude des turbomachines incompressibles 7 Applications 8 Machines et circuits _ Ecoulements transitoires Prof. F. AVELLAN 9 CFD dans les turbomachines et design turbines 10 Application + BE design 11 Conception des pompes Doc. J.N. FAVRE, pompes EGGER (15-01-03) 12 Pompes à 2 phases J. GÜLICH, SULZER Pumpen (22-01-03) 13 Les turbines PELTON G. VUILLOUD, VA-TECH hydro (29-01-03) 14 Visite
Turbomachines Hydrauliques
3.1 Echanges énergétique dans une turbomachine Triangles de vitesse – Relation d’EULER -applications
Arête HP méridienne : 1 Arête BP méridienne : 1
mr
L
Plan ″méridien″
2
0
12 r U z U mC cd C u C v C k C v C m
π
θπ
= = + + = +∫ur r r r r r ur
Cm est la composante "débitante" de la vitesse, en effet si L est ⊥ aux lignes de courant :
2
0
1 2mC c m
π
θπ
= ⋅∫ dr uur
et ∫∫ ΛΛ=⋅= dsCdsmCQ m
rr
Composition des vitesses : UWCrrr
+=
WC
UCu
Cm β α
2
Turbomachines Hydrauliques
Pompe axiale
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Turbomachines Hydrauliques
Incidence à débit partiel
Triangle des vitesses ″Turbine″
4
Turbomachines Hydrauliques
Relation d’EULER
théorème du moment de quantité de mouvement:
ddt
Moment de qdm des couples appliqués sur le fluide( ) = Σ
Estimation de ddt : ( )Moment de qdm
dtdQdtCSdm 111111 ρρ ==
1 1 1 qdm dQ dt Cρ→
− > ⋅
moment de qdm : r ⋅ ⋅Finalement :
1 1 1 1 1 1( ) UsurU
S dt proj V dQ rV dtρ ρ→
→= ⋅ ⋅
1 11 11 11 1 ( ) ( )( ) U U U Ud dmMoment de qdm rC rC m rC rCdt dt
= ⋅ − = ⋅ −&
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Turbomachines Hydrauliques
Sur un ensemble de lignes de courant : ( ) ( )1 1 1 1 1 1 1 1
1 1
( ) U US S
d Moment de qdm rc c n ds r c c n dsdt
ρ ρ⋅ ⋅= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅∫ ∫uur urr ru
dd
L
O
Ensemble des tubes de courant qui traversent la roue
�
���
��
��
��
��
�
( ) ( )dsnCCrdsnCCrCUCUmqdmdeMomentt S
US
UUU ∫∫ ⋅⋅⋅−⋅⋅=−⋅= ⋅
1
111 111
1111111 )ˆˆˆˆ( )( rrrr& ρρ
)1
ˆ,ˆ,,ˆ111 UU CUCUDéfinition de :
( ) ).( 11 UCUCmTP iim
))))& −==ω
es forces extérieures appliquées au système : *les forces volumiques sur le fluide (poids,…): couple nul *les forces de pression : couple nul *frottements visqueux ou turbulent sur sections 1 et 1-
suffisamment éloignées de la roue : couple négligeable. *forces frottement des tubes supérieures et inférieures sur
le tube : TSI *l’action des efforts des aubes sur le fluide
(portance et traînée des aubes) : TA n pose : Ti = TA+ TSI = couple appliqué par la roue au fluide
( ) )/(11 kgJUCUCmPE imi ))))
& −==⇒
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Turbomachines Hydrauliques
TΣ
Secti
)rTΣ ( 1
on
Th
T⇒
considTi( ) 1r
( )1rm&
Fina( )1rEi =
Représentation ″aube-à-
( )2
1 11 1 10
( )U Ur dr rc rc m dθ π
θ
θ=
=
= − ⋅ ⋅∫ &
1 Section
1 on
).()ˆˆ.( 11111 CurCurmuCruCrm −=−= && 111
Pose :
éorème de la moyenne :
uCCu ˆ=
( ) ).( 11111 CurCurmri −= &
couple appliqué par la roue au fluide si onère l’ensemble des tubes aube-à-aube qui
r1
1Débit masse passant dans le tube decourant
r
lement : (J/kg) )(. 11111 CuUCuUrHig −=
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Turbomachines Hydrauliques
Remarque : Relation d’EULER valablepour
fluide parfait, réel, compressible, incompressible
Fluide parfait par calcul EULER => EE Rendement hydraulique ″interne″ de
la roue : η i
gHgHE
iTurbine=η
EEi gH
gHEE
Pompe==η
Si le nombre d'aubes est ∞ , l'angle dufluide correspond exactement à l'angledu squelette des aubes : Eth∞ . L'écartentre Eth∞ et EE correspond à une
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Turbomachines Hydrauliques
W
L’én
Par ide
Interprétation énergétique de la relation
W C
U C u
C mβ α
UVVU 2²² −+=α UUVVU cos2²²² −+=
²)²²(21 WUCUCU −+==>
11112iTi ρ
ergie échangée avec la roue l’est sous forme de couple mécanique, => EULER :
(1) (2) (3)
On a donc ETi = Ei+ ∆ξi .
ntification (2)+(3) = énergie massique de pression si ∆gz et les pertes internes ∆ξi <<
2
∆−
∆+
∆=∆= ²
2²
2² WUCUCuEi
(3) accroissement de p/ρ par diminution de W (cas axial : 2 =0 ) (2) Accroissement de p/ρ par variation de ωR (cas radial pur: 3 2 :2 R∆ ω << )( 2
12
1Rp −≠
1121
21 Egzgz
ppCCgHE ∆+−+
−+
−==
Bernoulli intégré sur l’ensemble des lignes de courant
9
ρ
10
Turbomachines Hydrauliques
Relation de BERNOULLI dans le repère tournant : rothalpie
En combinant les deux relations précédentes :
iZZgPPUUWW ξ
ρΣ=−⋅+
−+
−−
−)(
22 1111
21
21
21
21
= rothalpie Cte le long d’une ligne de courant dans le repère tournantsi pas de pertes.
Degré de réaction. En négligeant les variations de cote entre l’entréeet la sortie de la roue: On définira le degré de réaction comme le rapport: On calcule σ en général pour le point nominal defonctionnement :
EE
nn EPP
ECC
⋅−
=⋅−
−=ρ
σ 1121
21
21
EEdynamiquestatique −== 1σ
statiquedynamique EEE +=
Turbomachines Hydrauliques
Puissance, rendement et pertes d’une turbomachine
� ��
Schéma d’une installation hydraulique
Puissance hydraulique fournie ou reçue par lamachine:
( )h I IP Q gH gH
QE
ρρ
= × −
=
Turbine ou Pompe
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Turbomachines Hydrauliques
Bilans de puissance dans une roue de pompe
�
�����
�
���
��
����
�� �� � ���
� �� � ���
P rm
P
Pm
Puissance hydraulique
P Lm
Puissance absorbée
E r
η qη e
E rs
Perte d'énergie hydraulique massique
Arbre Roue
ηm
η rm
E
η = η h . ηm
Débit de fuite
eη h = η ⋅ η q ⋅ η rm
Perte de puissance parfrottement de disque
Perte de puissance dans les paliers
ρP h = E ⋅ ( Q)
(ρ Q)
Roue
ρ Q
Erb
(ρ Q)
(⋅P t = E t ρ Q) t
r
ΣE r
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Turbomachines Hydrauliques
Caractéristique d’une pompe
Diamètre de"rognage"
Extrait de catalogue de constructeur (JS)
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Turbomachines Hydrauliques
Bilans de puissance dans une roue de turbine
�
�������
�
�� � � ���
�� �� � ��� ���
����
��
η
Perte d'énergie hydraulique massique
Roue Arbre
Puissance hydraulique
Puissance fournie
Perte de puissance dans les paliers
Débit de fuite
Ers
P
Pm
η rm
ηm PLm
ηe ηq
E t
E
.η = η η mh
h η ηq = e ⋅ η ⋅ rmPrm
(ρ Q)
(ρ Q) t
Pt = E t ⋅ (ρ Q) t
Ph = E ⋅ (ρ Q)
Erb
Roue
Perte de puissance parfrottement de disque
ρ Qr
ΣE r
14
Turbomachines Hydrauliques
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Turbomachines Hydrauliques
3.2 Les turbines 1° Les différents type d’aménagement
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Turbomachines Hydrauliques
(d’après SHF –minihydro)
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Turbomachines Hydrauliques
(d’après SHF –minihydro)
18
Turbomachines Hydrauliques
Les équipements d’une centrale
Télécontrôle et télémaintenance
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Turbomachines Hydrauliques
Seuilll gonflables
Seuil gonflable (ref. …..)
Le barrage de TUCURUI : une catastrophe écologique. (d’après P. HENRY)
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Turbomachines Hydrauliques
Aménagement "Mini-Hydro" (ref. :…..)
••CChhaammbbrree ddee mmiissee eenn
cchhaarrggee ••CCoonndduuiittee ffoorrccééee ••TTuurrbbiinnee ••OOuuvvrraaggeess ddee rreessttiittuuttiioonn•• CCaannaall ddee ddéécchhaarrggee ••RRuuiisssseeaauu ddee ddééttoouurrnneenneemmeenntt oouu ppaassssee àà ppooiissssoonn
Env
•• rréésseerrvvooiirr dd’’aaccccuummuullaattiioonn ((rraarree eennµµ)) ••PPrriissee dd’’eeaauu llaattéérraalleeaavveecc bbaarrrraaggee ((ffiixxee oouummoobbiillee )) oouu «« àà llaattyyrroolliieennnnee »» ••CCaannaall ddee ddéérriivvaattiioonn oouudd’’aammeennééee ••DDééssaabblleeuurr
ironmental friendly “small hydro” (ref. …..)
••GGéénnéérraattrriiccee •• ttrraannssffoorrmmaatteeuurr ••LLiiggnnee éélleeccttrriiqquuee •• ccoonnttrrôôllee ccoommmmaannddee •• pprrootteeccttiioonnss
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Turbomachines Hydrauliques
Underground discrete powerhouse (ref. …..)
Centrale ”discrète” dans une écluse historique à Heidelberg. (ref. …..)
Air injection
Turbine used as re-oxygenation device
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Turbomachines Hydrauliques
""FFiisshhffrriieennddllyy"" ttuurrbbiinneess PPbb :: ggrraaddiieenntt ddee pprreessssiioonn ==>> ééccllaatteemmeenntt ddee llaa vveessssiiee nnaattaattooiirree eett iimmppaacctt ssuurr aauubbeess AAnnaallyyssee CCFFDD dduu ppaassssaaggee ddeess ppooiissssoonnss ddaannss uunnee ttuurrbbiinnee eenn vvuuee ddee ll’’ooppttiimmiissaattiioonn dduu ttrraaccéé ddee llaa ttuurrbbiinnee aavveecc ppoouurr oobbjjeeccttiiff uunn mmiinniimmuumm dd’’aaccccéélléérraattiioonn eett ggrraaddiieenntt ddee pprreessssiioonn eett llee mmooiinnss dd’’iimmppaacctt ssuurr lleess aauubbeess..
(ref. ENSEIGT CEI)
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Turbomachines Hydrauliques
2° Les différents types de turbines
Domaine d’utilisation des différents type de turbine (d’après Bohl)
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Turbomachines Hydrauliques
Comparaison des performance des différents type de turbines
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Turbomachines Hydrauliques
3° Les Turbines PELTON (hautes chutes)
(document IMHEF)
(document VATECH-Hydro) VViitteessssee dduu jjeett :: 2gH
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Turbomachines Hydrauliques
(document VATECH-Hydro)
(document VATECH-Hydro)
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Turbomachines Hydrauliques
LLaa ggrraannddee DDiixxeennccee:: 33 xx 442200 MMww,, HH==22000000mm (document VATECH-Hydro)
(document IMHEF)
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Turbomachines Hydrauliques
4° Les Turbines FRANCIS
SSiittee ddeess ““33 GGOORRGGEESS”” :: 2266 xx 880000 MMWW (ref. …..)
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Turbomachines Hydrauliques
(ref. …..)(ref. ….IIttaaiippuu:: 1199xx 775500 MMWW
(ref. P. HENRY)
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Turbomachines Hydrauliques
Bâche de turbine (d’après P. HENRY.
Ensemble d'avant-directrices en cours de pré-montage en usine (d’après P. HENRY).
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Turbomachines Hydrauliques
Directrices de turbine en cours de montage (P. HENRY).
Système de commande du distributeur (P. HENRY).
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Turbomachines Hydrauliques
La roue
Le diffuseur
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55°° KKAAPPLLAANN && BBUULLBB TTuurrbbiinneess
Turbine KAPLAN (P. HENRY)
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Turbine Bulbe (P. HENRY)
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Roue Bulbe (P. HENRY)
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Comparaison Bulbe/Kaplan à même puissance.
BBllaaddee mmeecchhaanniissmm
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66°° PPuummpp--TTuurrbbiinneess
(ref. P. HENRY)
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7° Mini-Hydro (ref. …….)
Q m3/s
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Some examples ■■ MMaattrriixx ttuurrbbiinneess ((SSttéé VVAATTEECCHH HHyyddrroo))
What is a Matrix-Turbine ? Small bulb-turbine 1Unit =Runner+Generator Modules 100%prefabricated “Mass produced”
Application : digues, écluses,… 42
Turbomachines Hydrauliques
■■ IInndduussttrriiee ((iinndduussttrriiee cchhiimmiiqquuee))
IInnssttaallllaattiioonn PPEELLTTOONN ssuurr ééqquuiippeemmeenntt dd’’oossmmoossee iinnvveerrssee ■■ TTuurrbbiinnaaggee dd’’eeaauu ppoottaabbllee oouu uussééeess
(Photo MyHLAB)
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Turbomachines Hydrauliques
■■ TTuurrbbiinnaaggee dd’’eeaauuxx uus(ref. Programme Diane 2000) sééeess
■■ RRééhhaabbiilliittaattiioonn ((sscciieerriieess,, mmoouulliinnss,, eettcc )) (ref. Programme Diane 2000)
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Turbomachines Hydrauliques
■■ RRoouueess ddee mmoouulliinn (ref. Sté TURAS)
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Turbomachines Hydrauliques
•• PPoommppee eenn ttuurrbbiinnee (ref. Programme Diane 2000)
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Turbomachines Hydrauliques
■■ EEnneerrggiiee mmaarréémmoottrriiccee MMoouulliinn ddee BBrrééhhaatt
Turbine m
Usine marémotrice de la RANCE (ref. P. HENRY)
arémotrice dans le delta de l’Amazone (photo JLK) 47
Turbomachines Hydrauliques
■■ EEnneerrggiiee ddeess ccoouurraannttss eet vvaagguueess (ref. Revue “Oceans”)
t
Moulin à marée du
48