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Turbinage des eaux potables : Critères

de choix et dimensionnement des

équipements

Vincent DENIS

Ing. EPFL-SIA

Atelier de formation TURBEAU

14 janvier 2011

Puissance d'une machine hydraulique

Q = débit-masse [kg/s]

= masse volumique de l'eau [kg/m 3

Q = débit-volume [m

3 /s] gH = énergie massique [J/kg] g = Accélération de la pesanteur [m/s 2

H = "hauteur de chute nette" [m]

= rendement énergétique de la turbine [-] g H Q P

Energie hydraulique massique

21222121

zzgcc21ppȡ1gH gH = énergie massique [J/kg] = masse volumique de l'eau[kg/m 3 px = pression à la section de mesure[Pa] cx = vitesse de l'eau dans la section de mesure [m/s] g = Accélération de la pesanteur[m/s 2 zx = altitude de la section de mesure[m]

Puissance électrique d'une installation

hydraulique (formule " simplifiée ») avec : P él = Puissance électrique [W] = masse volumique de l'eau [kg/m 3

Q = débit-volume [m

3 /s] g = accélération de la pesanteur [m/s 2

Z = dénivellation exploitable [m]

c = rendement de la conduite 90% [-] t = rendement de la turbine 89% h t

94 % [-]

e = rendement de l'alternateur 92 % [-] tr = rendement du transformateur 97 % [-] tretcel ZgQP

Turbines hydrauliques

• Turbine hydraulique = moteur convertissant l'énergie hydraulique massique de l'eau en énergie mécanique

• Turbines à réaction : Turbines transformant l'énergie de pression et l'énergie cinétique en énergie mécanique. Sa roue est entièrement

immergée et son bâti doit être capable de supporter la pression de service.

• Turbines à action : Turbines dans lesquelles toute l'énergie hydraulique massique est transformée en énergie cinétique avant

d'entrer en contact avec la roue. Celle-ci est entièrement dénoyée.

Turbines à action

TurbinesPeltonZ:dès60m

Débits"faibles»

De1à6injecteurs

Grandeflexibilitérelativement

auxvariationsdedébit

Rendementélevé

Bonneprotectioncontreles

coupsdebéliers

Turbines à action

TurbinesTurgoZ:de50à250m

Débits"moyens»

Grandeflexibilitérelativement

auxvariationsdedébit

Rendementmoyen

Bonneprotectioncontreles

coupsdebéliers aiguille jet d'eau aubes de roue

Turbines à action

TurbinesàfluxtraversantZ:de5à200m

Débits"moyens»

Grandeflexibilitérelativement

auxvariationsdedébit

Rendementfaible

Fragilitémécanique

Utiliséeàtortpourlesbasses

chutes aubes

écoulement d'eaudistributeur

roue 9

Turbines à réaction

TurbinesFrancisZ:de25à350m

Débits"moyens»

Faibleflexibilitérelativement

auxvariationsdedébit

Rendementélevé

Roueàaubesfixes

Récupérationdel'énergie

cinétiquerestanteensortiede roueimportante 10

Turbines à réaction

TurbinesdiagonalesZ:de25à100m

Débits"moyens»

Grandeflexibilitérelativement

auxvariationsdedébit

Rendementélevé

Roueàaubesmobiles

Récupérationdel'énergie

cinétiquerestanteensortiede roueimportante

Turbines à réaction

TurbinesKaplanethélicesZ:de2à40m

Débits"élevés»

Forteflexibilitérelativementaux

variationsdedébitetdechute (Kaplan)

Rendementélevé

Roueàaubesmobiles(Kaplan)ou

fixes(hélice) restanteensortiederoue importante

Turbines pour applications particulières

• Pompe inversée pour débits fixes ou travail en

éclusée.

• Exécution spéciale • Rendement médiocre < 82%
• Pelton en contrepression • Rendement identique

à celui d'une Pelton

Problématique de la perte de charge dans

une conduite forcée singularitésdel'écoulement. lapuissancecinquièmedesondiamètre. judicieuxdudiamètre delaconduiteforcée. technicoͲéconomique. decharge.

Le choix de la conduite, un élément

déterminant

Conduited'assainissementoud'adduction

Conduiteforcépourleturbinage

Ecoulementlibre=>pasdemiseen

Puissancemaximum,doncgrande

production

Fonctionnementoptimaldelaturbine

(faiblevariationdepressionen fonctiondudébit,

Coûtélevé,maisamortiparlegainde

production ou

Petitdiamètre=grandepertedepression

Pressionqu'ilfautdetoutefaçon

détruire

Coûtfaible

Perte d'énergie dues à l'incrustation de charges polluantes ou de calcaire sur les parois d'une conduite forcée

Caractéristiques de l'installation :

Débit maximum : Q = 0.280 m

3 /s

Dénivellation : 115 m

Longueur de la conduite : 860 m

Perte de charge calculée par la formule de Colebrook

Rendement énergétique de la conduite :

Défini par le rapport entre la pression statique et la pression à débit maximum

Perte énergétique dans une conduite

forcée encrassée.

Diamètre de la

conduiteIncrustationPerte de charge en mRendement

énergétique de la

conduite

312 mm 0 mm 22.7 0.803

312 mm 2 mm 44.2 0.616

380 mm 0 mm 8.5 0.926

380 mm 2 mm 15.5 0.865

Turbinage de l'eau potable:

Principe:

Valorisation de la pression

excédentaire du réseau d'adduction

Principales précautions:

• Pas de dispositif de commande à huile • Acier inoxydable • Réservoir ou/et by pass pour assurer l'approvisionnement • Conduite de diamètre suffisant pour limiter la perte de charge

StationPompage TurbinageVanne de gardeouioui

Organe de régulation de débit

nonoui

Roue liée à un arbre tournant

oui oui

Joints d'arbre oui

oui

Bâti et roue en contact avec l'eau oui

oui

Paliers à roulement graissés à vie

oui oui

Machine électrique

oui (moteur)oui (génératrice)

Armoires électriques

oui oui Transformateur MT /BT oui, si P > 10 kW oui, si P > 10 kW

Matériaux de construction usuels

de la machine hydrauliqueAcier, fonte, acier inoxydable, bronzeAcier, fonte, acier inoxydable, bronze

By pass automatique non

oui

Accès à l'eau Démontage nécessaire

Démontage nécessaire

Vitesse spécifique

Q = débit [m

3 /s] E = énergiehydrauliquemassiqueàdispositiondelamachine [J/kg] n = vitessederotationdelaturbine [t/s] EQn n QE43 formederoue.

Vitesse spécifique

Achaquevitessespécifiquecorrespondun

typedeturbine,respectivementuneforme deroue. D 0 D s D 0 D 0 D s D s D n = 514 s n = 300 s n = 200 s n= 8 0 s

0.010.1110

1 10 100 1000

Hn = E/g

KaplanPropellerBulbFrancisPelton

Vitesse spécifique

Pelton un injecteur

Pelton n injecteurs

Francis

Kaplan, hélice, bulbe

0.025 0.005

n QE nn

0.50.5

0.025 0.005

n QE

0.33 0.05

n QE

1.55 0.19

n QE

Conception préliminaire

TurbinesPelton

nH 0.68 D 1 HQ n jet

1 1.68

quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40