(géométrie du distributeur turbine helice ou kaplan)
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Didacticiel exemple conception petite centrale hydraulique 2/3:
Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:
captage energie hydraulique turbine kaplan 1/3 :Présentation des organes
captage energie hydraulique turbine kaplan 2/3 :Relation distributeur helice
captage energie hydraulique turbine kaplan 3/3 :Méthode conception
Didacticiel conception turbine 1/3 :Puissance du site et conception helice
Didacticiel conception turbine 2/3 :Conception du distributeur ou stator
Didacticiel conception turbine 3/3 :Choix des sections, conception aspirateur
Le distributeur
Nous allons concevoir ici le distributeur destiné à convertir une partie de la hauteur de charge en rotation du flux en amont de l'hélice.Ceci aura
pour effet de modifier les angles d'entrée dans l'hélice et la vitesse réelle captée par les pales. Cette mise en rotation en amont de l'hélice permet
aussi de compenser la mise en rotation(induction tangentielle) provoquée par réaction au couple de l'hélice.
Effets de la Vitesse tangentielle en amont
Angles des ailettes du distributeur et déviation du flux
conception du distributeur et évaluation des Pertes de charge du distributeur
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Effets de la Vitesse tangentielle en introduite en amont de l'hélice :
Un distributeur ou stator placé en amont de l'hélice produit une vitesse tangentielle (tourbillon) de direction opposée à la vitesse
tangentielle induite par l'hélice. La vitesse tangentielle induite par l'hélice sera ainsi récupérée. Un surplus de vitesse traversant l'hélice
pourra être réalisé sans modifier le débit de manière a utiliser l'énergie de hauteur de charge en la convertissant en vitesse tangentielle.
Le réglage de l'angle des ailettes du distributeur permettra d' ajuster la vitesse tangentielle.
Dans la zone des résultats du logiciel HELICIEL, sélectionnez l' onglet "vitesses fluides", et sur le graphique des vitesses aval
tangentielles, laissez votre pointeur au niveau de l' élément produisant le plus de vitesse tangentielle pour faire apparaître l'info bulle
donnant la valeur en radian/seconde. Dans notre exemple la vitesse induite tangentielle en aval de l'hélice est d' environs 3 rad/sec,
nous introduirons une vitesse de 3 rad/sec. Pour cela utilisez le menu paramètre/introduire une vitesse tangentielle, et entrez 3 rad/sec
:
Relancez la recherche de vitesse de rotation optimum pour actualiser l'hélice dans sa meilleur configuration:
La limite de Betz est dépassée car elle est basée uniquement sur le flux axial, le flux tangentiel introduit en amont nous procure donc
une puissance supplémentaire, nous pourrions augmenter cette puissance en augmentant le flux tangentiel mais ceci se traduira par
une augmentation de la perte de charge dans le distributeur / stator qui devra augmenter son angle de déviation du flux. Nous pouvons
aussi estimer que si la vitesse tangentielle introduite dans l'hélice est supérieur a la vitesse tangentielle produite par l'hélice, le flux aura
une vitesse tangentielle non nulle en aval. Ce qui est une energie perdue.
Angles des ailettes du distributeur et déviation du flux:
Nous pouvons aisément estimer l'angle des ailettes du distributeur en utilisant la vitesse axiale et la vitesse tangentielle a produire.
Vitesse tangentielle: La vitesse tangentielle(m/sec) a produire est calculée grâce a la vitesse en radian seconde:
Vitesse tangentielle (m/sec) = vitesse angulaire (rad/sec) x rayon bout de pale (m) donc pour notre exemple:
Vitesse tangentielle (m/sec) = 3(rad/sec) x 1(m) = 3m/sec
distributeur kaplan: distributeur bulbe:
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La vitesse axiale est donnée par le débit / section passante. Nous estimerons dans notre exemple que la section passante du
distributeur est égale a la section balayée par l'hélice(2.01m² pour notre exemple), mais ceci n'est pas toujours le cas car il peut être
utile d'avoir une faible vitesse dans le distributeur de manière à minimiser les pertes de charge et les angles de déviation des ailette s.
Vitesse axiale =(Qv / section passante du distributeur) =(12 /2.01)= 5.97 m/sec
Angle des ailettes:
Pour un distributeur en couronne de type Kaplan (avec volute):
Tangente (Angle ailettes) = Vitesse axiale / Vitesse tangentielle
=>Angle ailettes = Atan( Vitesse axiale / Vitesse tangentielle )
=>Angle ailettes = Atan( 5.97 / 3) = 63 °
1.
Pour un distributeur en anneau de type bulbe:
Tangente (Angle ailettes) = Vitesse tangentielle / Vitesse axiale
=>Angle ailettes = Atan( Vitesse tangentielle /Vitesse axiale )
=>Angle ailettes = Atan( 3 / 5.97 ) = 26 °
2.
avec: Qv = débit volumique traversant la centrale en m3/sec, section en m² et vitesses en m/sec
Conception du distributeur et évaluation des perte de charge:
Les pertes de charges dans la grille de distributeur sont liées a l'angle de déviation subit par le fluide. Pour les distributeurs en anneaux de type
bulbes, l'angle de déviation est directement celui de l' ailette. Dans les systèmes type kaplan, la volute donne au fluide une trajectoire tangentielle.
L' angle de déviation du fluide sera égal donc lui aussi égal à l'angle des ailettes. Un faible angle d' ailettes induit une faible perte de charge, un
angle d' ailette a 90° induit une perte de charge maximum. La volute permet donc de générer des vitesses tangentielles importantes sans induire
de forte pertes de charge par déviation du fluide dans la grille d' ailettes. Notons qu' un distributeur de type bulbe aura un faible angle de déviation
pour une vitesse axiale supérieur a la vitesse tangentielle. Un distributeur type kaplan, de fait de la volute, aura au contraire un faible angle de
déviation pour une vitesse tangentielle élevée. Ceci destine les distributeurs + volute, à des centrales dont la hauteur de charge (transformée en
vitesse tangentielle) est plus importante et les systèmes a bulbes à des débit élevés et basse chutes. La volute sera dimensionnée de manière a
conserver une vitesse constante tout autour du distributeur. Sa section devra donc diminuer pour tenir compte du volume de fluide écoulée dans
les portions amont:
Conception d'un distributeur de type anneau ou d' un stator:
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Un distributeur de type anneau , c'est une hélice qui ne tourne pas (stator). Nous allons donc utiliser Héliciel pour calculer le delta de pression
entre l' amont et l' aval d'une helice avec une vitesse de rotation quasi-nulle, et un nombre de pale correspondant au nombre d' ailettes de notre
distributeur. Nous forcerons notre hélice "stator", à positionner ses pales et construire un vrillage optimum pour la production d'une mise en
rotation du fluide de 3 radians seconde, en entrant dans les paramètres du projet, une valeur négative d' introduction tangentielle de - 3 radians
seconde. Le vrillage et le calage des pales de notre stator seront ainsi crées et la perte de charge sera évaluée. Nous pourrons même, si nous le
désirons, exporter le fichier igs 3D des pales du stator/distributeur vers une CAO pour les réaliser. Construisons notre stator pas a pas:
Apres avoir bien enregistré notre turbine (menu fichier/enregistrer), nous allons la transformer en "stator/distributeur anneau" en modifiant
son nombre de pales de 4 a 12, ( onglet optimiser/nombre de pale)
La géométrie sera retouchée en diminuant les largeurs de cordes en pied et bout de pale de manièreà minimiser les frottements et la perte
de charge. Nous passerons donc à une largeur de corde en pied de pale de 311 mm et même chose en bout de pale (pensez à linéariser la
distribution de corde). Nous conserverons les rayons en bout et pied de pale de 1000 et 600 mm. Le profil utilisé restera le naca 1408.
cela devrait donner:
Nous gardons la vitesse de 6 m/sec et comme nous n' avons pas touché aux rayons pied et bout de pale, la section passante reste la même
que la turbine (nous négligerons l'épaisseur des profils) et le débit est donc toujours de 12 m3/sec.
Pour que héliciel crée un modèle 3D de vrillage et un calage de pales correspondant a une mise en rotation en aval de 3radian/seconde,
dans le menu paramètres, nous allons introduire un flux tangentiel négatif de -3 radians seconde correspondant approximativement à l'
induction tangentielle produite par notre turbine.
Ceci combiné avec une vitesse de rotation (onglet Données Projet/Point de fonctionnement) de 0.1 tours/minute pour simuler une rotation
nulle (une vitesse de rotation nulle provoque des erreurs dans les équations)
Voila les paramètres de notre stator sont entrés il ne reste plus qu 'a lancer la reconstruction :
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Notre modèle 3D de stator/distributeur anneau est créé et la perte de pression généré lors de sa traversée est d' environs 0.03 bars ce qui nous
donne une hauteur d' environs 0.3 mètres de perte de charge:
Le calage des profils évolue de 63 degrés au pied de pale à 55 degrés au bout de pale, ce qui correspond respectivement à une déviation du flux
de 27 à 35 degrés environs qui correspondent approximativement à ce que nous avions calculé plus haut (26°).
Conception d'un distributeur de type couronne Kaplan(avec volute):
Le calcul des pertes de charge dans le distributeur couronne+volute de type Kaplan sera effectué avec MECAFLUX. Nous devons pour
cela connaître La vitesse du fluide traversant le distributeur et la surface totale du distributeur.
La vitesse traversant le distributeur est (d'apres pythagore.) = √ ( (Vitesse axiale) ² + Vitesse tangentielle²) = √((5.97)²+4²) =√ (35.64+16) = 7.18 m/sec
surface distributeur = surface balayée = 2.01 m²
Nous utiliserons Mecaflux pour calculer rapidement et simplement l' ensemble des pertes de hauteur de charge afin de
vérifier si notre hauteur brute sera suffisante. Dans l' onglet pertes de charge singulières du logiciel Mecaflux,
catégorie"éléments divers", nous trouvons "grille de profils" (sinon télécharger la mise a jour gratuite sur
http://www.mecaflux.com/service_clients.htm) :
Pour calculer la perte de charge il nous est demandé de rentrer:
section de référence == 2.01 m²vitesse de référence = 7.18 m/secAngle de déviation = angle ailettes = 63°(mecaflux nous propose 50 ou 60 degrés)
rapport espace/pas:
rapport espace/pas: mecaflux est généralement utilisé pour des grilles avec de nombreuses ailettes, dans notre cas les
épaisseurs des ailettes ne couvrent qu 'une faible surface, nous rentrerons donc la valeur max proposée par mecaflux:0.85
Cliquer sur calculer la perte de charge avec 60 °:
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Ceci nous donne une perte de 3.9 mètres. Notre distributeur consommera une hauteur de charge de 3.9mètres. Du fait de
l'angle de déviation élevé la perte de charge est très importante , ce distributeur n'est pas adapté a notre exemple (qui est
équipé d'un distributeur en anneau de type bulbe).
Résumé:Nous avons vu comment le distributeur nous permet de transformer une partie de la hauteur de charge en energie cinétique
en mettant en rotation le flux en amont de l'hélice .Cette mise en rotation génère une augmentation de vitesse à travers les pales et des
angles d'attaque des pales plus favorable à la transformation en couple. Une vitesse tangentielle bien ajustée en amont doit équilibrer
la vitesse tangentielle produite par l'hélice. Cet équilibre est vérifié par l' absence de rotation du flux en aval de l'hélice. Le concepteur
du distributeur trouvera un compromis entre perte de charge provoqué par l'angle de déviation et rapport vitesse axiale et tangentielle a
produire. Le choix de la section de passage du distributeur permet au concepteur de contrôler le rapport entre la vitesse axiale et la
vitesse tangentielle, donc l'angle de déviation a créer pour une mise en rotation maximum du flux amont.
Un autre élément permet d' augmenter la puissance de l'hélice: le diffuseur ou aspirateur.
Suite: dimensionnement des sections de passage et rôle du diffuseur ou aspirateur.
Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:
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captage energie hydraulique turbine kaplan 2/3 :Relation distributeur helice
captage energie hydraulique turbine kaplan 3/3 :Méthode conception
Didacticiel conception turbine 1/3 :Puissance du site et conception helice
Didacticiel conception turbine 2/3 :Conception du distributeur ou stator
Didacticiel conception turbine 3/3 :Choix des sections, conception aspirateur
Logiciel:Heliciel
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