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1 MACHINES HYDRAULIQUES Classification et Définitions On désigne par machine hydraulique , toute machine qui utilise un liquide pour engendrer (recevoir ou donner ) un travail dit de transvasement. Travail de Transvasement ( Énergie hydraulique ) . Machine 1 2 Le travail de transvasement W tr dans un écoulement entre deux points 1 et 2 a pour valeur : www.almohandiss.com www.almohandiss.com

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1

MACHINES HYDRAULIQUES Classification et Définitions

On désigne par machine hydraulique , toute machine qui utilise un

liquide pour engendrer (recevoir ou donner ) un travail dit de

transvasement.

Travail de Transvasement ( Énergie hydraulique ) .

Machine 1 2

Le travail de transvasement Wtr dans un écoulement entre

deux points 1 et 2 a pour valeur :

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2

Wtr = W12 = Ecinétique + Epotentielle.pesanteur + Epotentielle.pression + Pertes

= ½( V22 – V1

2 ) + g( z2 – z1 ) + (P2 – P1 ) / + Pertes

Ainsi selon , l’importance de chacun des trois termes , on aura

les aspects suivants :

• Les termes Ecinétique et Epotentielle.pesanteur sont prépondérants :

Aspect dynamique ( Convertisseurs , Coupleurs – Pompes

centrifuges et turbines ).

• Le terme Epotentielle.pression est prépondérant : aspect hydrostatique

( Pompes , moteurs et vérins hydrauliques )

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Autre Nom et autre Classification:

Une turbomachine est un ensemble mécanique

dont le rôle est d’assurer un échange d’énergie

entre un fluide en écoulement et un rotor animé

d’un mouvement de rotation généralement

uniforme autour de son axe.

Selon le sens de l’échange d’énergie, la

turbomachine est dite :

génératrice lorsqu’elle communique de l’énergie au fluide ;

réceptrice lorsqu’elle en reçoit de celui-ci.

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Une turbomachine doit nécessairement être

accouplée à une autre machine jouant le rôle de :

moteur dans le cas des turbomachines

génératrices (moteur électrique, moteur Diesel,

turbomachine réceptrice) ;

machine entraînée dans le cas des turbomachines

réceptrices (dynamo, alternateur, turbomachine

génératrice).

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Encore une autre Terminologie:

Les turbomachines génératrices sont aussi

appelées turbomachines de compression car

leur apport d’énergie au fluide s’accompagne

d’une augmentation de sa pression .

Les turbomachine réceptrices sont aussi

appelés turbomachines de détente car leur

emprunt d’énergie est associé à une diminution

de pression .

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Et une autre Classification:

Parmi les différentes familles de turbomachines, les hélices marines et aériennes, ainsi que les éoliennes, tiennent une place particulière

du fait qu’elles empruntent et rejettent le fluide dans un même milieu illimité.

Les turbomachines de détente portent le nom de turbines, alors que celles de compression se subdivisent en :

pompes, dans lesquelles le fluide en mouvement est liquide, et donc incompressible ;

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ventilateurs, dans lesquels le fluide gazeux se comporte de manière incompressible c’est-à-dire que sa variation de volume massique au cours de la traversée de la machine est négligeable ;

les compresseurs et soufflantes dans lesquelles la compressibilité du fluide gazeux ne peut être négligée.

Ces turbomachines sont largement utilisées pour réaliser des cycles thermodynamiques ; c’est le cas des compresseurs axiaux et des turbines axiales accouplés dans les réacteurs aéronautiques ou les turbines à gaz industrielles (qui portent un nom ambigu,puisqu’elles comprennent au sens strict des termes, un compresseur et une turbine). C’est le cas également des centrales thermiques qui comportent une pompe à eau et une turbine à vapeur.

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Pompes

Classification des pompes.

Les pompes peuvent être classées en deux grandes catégories:

• Les pompes volumétriques qui comprennent les pompes

alternatives et les pompes rotatives;

• Les turbo pompes qui comprennent les pompes centrifuges,

les pompes Hélico centrifuges et les pompes hélices :

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Pompes Centrifuges

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X

E

M

P

L

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Pompes Centrifuges

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Pompes Centrifuges Description / Fonctionnement 1 :

T1 : conduite d’aspiration sert

à amener le fluide à l’entrée de

la pompe(bride B1) ;

T2: conduite de refoulement ,

fixée à la pompe par la bride B2

R roue ou rotor porte les aubages

mobiles M appelés encore

aubes,pales ou ailettes et tourne

à vitesse angulaire constante

autour de l’axe OO′.

L’espace compris entre deux

aubages mobiles constitue un

canal mobile.

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Pompes Centrifuges Description / Fonctionnement 2 :

• le fluide est aspiré à travers le

conduit d’entrée, généralement

convergent, de façon à assurer

une répartition homogène des

vitesses à l’entrée C des canaux

mobiles que l’on appelle l’ouïe

de la pompe.

• les pales exercent des efforts

de pression sur le fluide, qui se

traduisent par l’existence d’une

surpression le long de leur

extrados (face menante) et

d’une dépression sur leur

intrados (face menée).

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Pompes Centrifuges Description /Fonctionnement 3 :

Le travail de ces forces exige un

apport permanent d’énergie

mécanique par l’arbre A . il y a

transfert d’énergie entre l’arbre et

le fluide : L’énergie mécanique

fournie par l’arbre au fluide

pendant la traversée des canaux

mobiles se manifeste par un

accroissement, d’une part, de la

pression du fluide et, d’autre

part, de son énergie cinétique :

C’est le principe même de

fonctionnement d’une

turbomachine génératrice ;

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Pompes Centrifuges Description / Fonctionnement 4:

Le stator S de la pompe, encore

appelé corps , enveloppe ou

bâche,porte une couronne

d’aubages fixes F .

En ralentissant le fluide, la

couronne d’aubages fixes,

appelée aussi diffuseur,

provoque une augmentation de

pression par conversion d’une

partie de l’énergie cinétique.

Le fluide est collecté et conduit

vers la tuyauterie T2 ,via la

capacité V qui s’enroule autour

du diffuseur et qui doit à sa forme

géométrique le nom de volute ;

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Pompes Centrifuges Composantes des vitesses d’écoulement 1:

• Le fluide possède à l’entrée de la roue une vitesse absolue V1, qui

se décompose , dés qu’il est entraîné par la rotation de celle ci , en

U1, vitesse d’entraînement , qui est tangente à la circonférence

interne de la roue, et W1, vitesse relative, qui est la vitesse avec

laquelle l’eau glisse sur l’aube.

• A la sortie, la particule considérée à une vitesse d’entraînement

U2,tangente à la circonférence extérieure de la roue , et une vitesse

relative W2, tangente au dernier élément de l’aube;dés que la

particule est sortie de la roue, ces deux vitesses se composent pour

former la vitesse absolue V2 de sortie.

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Pompes Centrifuges Composantes des vitesses d’écoulement 2 :

On est conduit à décomposer les vitesses V ou W Considérées en

un point M de l’écoulement en deux composantes orthogonales :

• une composante projetée sur U, dite tangentielle, désignée par

Vu ou Wu et mesurée positivement dans le sens de la rotation ;

•une composante projetée dans le sens de l’écoulement dite

méridienne, désignée par Vm ou Wm ; les vitesses méridiennes

sont en principe, toujours positives, sauf dans des régimes de

fonctionnement perturbés.

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Pompes Centrifuges

Trajectoires d’une particule :

Soit la roue de pompe

centrifuge alimentée

radialement par une

vitesse uniforme v1 .

l’observateur est « fixé »

sur la roue et dans ce

repère relatif, il ne voit

que la trajectoire relative

de la particule.Il observe

en particulier,du fait de

l’évolution croissante des

sections, que le fluide

ralentit depuis l’entrée

jusqu’à la sortie de la roue.

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Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

Pour toute l’étude ultérieure, nous utiliserons les triangles des

vitesses précités avec les conventions suivantes :

• On utilisera l’indice 1 pour les variables à l’entrée et l’indice 2

pour celles à la sortie de la roue.

• On désignera par α l’angle formé par la vitesse absolue et la vitesse

d’entrainement et par l’angle formé par la tangente à la circonférence

et la tangente à l’aube dans le sens opposé au mouvement.

On adoptera aussi, dans une première approche théorique les

hypothèses classiques de mécanique de fluides ( Fluide parfait,

pompe idéale , écoulements laminaires…).

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Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

1°) Vitesses

• Vitesses d’entrainement

N=Vitesse de rotation

en trs/mn

Ce qui donne :

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• Vitesses débitante ou méridienne

Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

et

Cette vitesse est radiale dans le cas d’une pompe à écoulement radial et

axiale dans le cas d’une pompe à écoulement axial.

• Vitesses tangentielle ou giratoire

Représente la projection de la vitesse absolue sur la vitesse d’entrainement :

et

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2°) Couple transmissible

Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

L’application du PFD , et surtout du théorème du moment cinétique à la masse de

liquide traversant les aubages donne la valeur du couple résultant des actions

appliquées à la roue :

•Où représente le débit massique et

la variation du moment cinétique entre l’entrée et la sortie de la roue.

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Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

3°) Hauteur d’élévation Théorique

La puissance théorique de la pompe est donnée à partir de la relation

de Bernoulli par :

Or cette puissance est la puissance mécanique appliquée à l’entrée du rotor et

dont la valeur en fonction du couple est :

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On a alors :

D’où :

Utilisant le fait que :

et

On aura l’équation

d’Euler:

Cette hauteur théorique correspond à l’énergie par unité de masse du

liquide traversant la pompe .

Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

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Tenant compte des relations suivantes qu’on peut déduire des triangles des vitesses :

l’équation d’Euler s’écrira :

Pompes Centrifuges

Equations fondamentales :

Le premier terme représente l’augmentation de l’énergie cinétique du fluide ,

le second et le troisième représentent l’augmentation de l’énergie potentielle

de pression:

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Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

Par courbes caractéristiques théoriques, on désigne les courbes donnant la

hauteur et la puissance de la pompe en fonction du débit :

.

Pour cela on fera l’hypothèse que le fluide arrive à l’entrée de la pompe avec une

vitesse absolue purement radiale ( V1u = 0 )

L’équation d’Euler devient :

.

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Pour atteindre des hauteurs élevées, il faut :

• une vitesse circonférentielle du rotor grande ( U2=r2.ω2) ;

• un angle α2 petit .

Expression du débit A la sortie 2 de la roue le débit s’exprime par :

Où V2m est la vitesse méridienne

( vitesse débitante) et S la section

de la roue au niveau du point 2 :

Le débit Q s’écrit :

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Avec b2 la largeur du canal de sortie de la roue.

Sachant que :

Le débit Q vaut alors :

En isolant le terme V2cosα2 dans cette relation et en remplaçant dans la relation

d’Euler , on aura :

Et

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Dans cette relation ,les paramètres r2 , b2 et β2 sont fixes pour une roue donnée.

La vitesse U2=πr2N/ 30 , indépendante de Hth et de Q , est fixe aussi.

La représentation de la fonction Hth = f ( Q) est une droite dont la pente dépend du

signe de cot β2 , donc de la construction de la roue :

On a alors les trois cas suivants :

• β2 = 90° d’où cot β2 = 0, la hauteur théorique est constante et indépendante

du débit :

• β2 < 90° ( angle aigu) , d’où cot β2 > 0 , la hauteur théorique diminue, quand le

débit augmente.

• β2 > 90° ( angle obtus ) , cot β2 < 0 , la hauteur théorique augmente lorsque le

débit augmente.

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

β2 < 90° ( angle aigu) β2 > 90° ( angle obtus )

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Ces droites représentent la caractéristique Hauteur théorique d’une pompe

centrifuge idéale, dans les trois cas de construction précités.

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Sachant que et que

on aura :

comme pour la hauteur théoriques trois cas de figures se présentent :

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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L’analyse des courbes représentant ces caractéristiques théoriques , montre qu’on

a les meilleurs résultats pour des roues à aubes couchées vers l’avant β2 > 90° ( la hauteur et la puissance théoriques augmentant avec le débit) ;

mais dans la pratique ,le rendement est faible dans ce cas .

Les roues à aubes couchées vers l’arrière β2 < 90° sont les plus utilisées , car

elles permettent un fonctionnement optimal.

Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques théoriques :

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Pompes Centrifuges

Courbes caractéristiques réelles :

Les courbes représentées jusqu’ici sont des courbes qui ne tiennent pas en compte les

différentes pertes qui ont lieu dans une pompe.

Ces pertes peuvent être classées en trois catégories :

• Des pertes Hydrauliques appelées communément pertes de charges;

• Des pertes par fuites appelées aussi pertes volumétriques;

• Des pertes mécaniques .

La tenue en compte de ces différentes pertes , permettra de tracer les courbes

caractéristiques réelles des pompes et de trouver les points de fonctionnement

optimums

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pertes de charges linéaires :

Appelées aussi pertes de charges régulières ou systématiques , elles sont

dues à la perte d’énergie nécessaire pour vaincre les forces de frottement

internes ( viscosité / turbulence).

L’expérience montre que la perte de charge dans un tube est :

• proportionnelle à la longueur L du tube ;

• inversement proportionnelle au diamètre D du tube ;

• proportionnelle au carré de la vitesse moyenne débitante Vm du fluide;

• proportionnelle à un coefficient sans dimension noté λ

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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pertes de charges linéaires :

(en Joule / kg) (en Pascal) (en Mètre de fluide)

Le coefficient sans dimension λ dépend du type d’écoulement : écoulement laminaire ou écoulement turbulent

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Le paramètre qui permet de déterminer le type d'écoulement est le nombre sans dimension appelé nombre de Reynolds.

pertes de charges linéaires :

Avec :

• Vm = vitesse moyenne débitante en ( m /s) ;

• nû = = viscosité cinématique du fluide en ( m2 /s) ( stocke : st) ;

• mû =µ= viscosité dynamique du fluide en ( Newton.Seconde /mètre) ( Poiseuil : Pl) ;

• 𝜌= masse volumique du fluide en (m3 /s).

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Dans ce cas λ est donné par des abaques ( Abaque de Moody-Mourine ) ou des

relations semi-empiriques ( Relation de Blasius par exemple : λ=0 .316.(Re)-o .25 ) .

pertes de charges linéaires :

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Appelées aussi pertes de charges localisées , elles sont dues aux formes des

tuyaux ( raccords , coudes , robinets , filtres …) et aux variations brusques de

sections et de direction .

pertes de charges singulières :

elles sont données par les relations :

(en Joule / kg) (en Pascal) (en Mètre de fluide)

𝛏 noté aussi K = coefficient de perte de charge localisée sans dimension = f ( formes , diamètres …) . Il est donné sous forme d’abaques , de tableaux ou de relations empiriques :

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Pertes

de charges

singulières :

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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pertes

de charges

singulières :

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pertes de charges Totales dans un circuit hydraulique :

C’est la somme des pertes de charges linéaires et des pertes de charges

singulières dans tout le circuit.

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Exemple pratique de calcul de pertes de charges par utilisation d’abaques

et de documents de constructeurs:

Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

1°) Méthode :

• Faire un schéma complet du circuit ;

• Déterminer pour chaque composant la perte de charge dans les

conditions d’emploi ( par calcul ou en utilisant des documents de

constructeurs ) et en déduire la longueur équivalente de la tuyauterie ;

• Evaluer les pertes de charges linéaires;

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Pompes Centrifuges

2°) Exemple de projet d’installation :

On utilise , pour déplacer une

charge de 1100 daN , un vérin

double effet, commandé par un

distributeur 4/2 et régulé par un

réducteur de débit.

Cette charge induit dans la

chambre du vérin une pression

de 35 bar ( conditions de sortie).

Quelle doit être la pression de

la pompe ( conditions d’entrée) ,

si on veut un fonctionnement

correct de l’installation ?

Schéma du circuit

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Pompes Centrifuges

2°) Exemple de projet d’installation :

Longueur équivalente :

• Longueur droite ( linéaire ) estimée à 1.5 m ( encombrement) ;

• Deux coudes ( r = 3.dext) : 0 m

• Huit raccords : 8.0,25 = 2 m

• Un raccord en « té » : 0,25 m

Doc 1

• Le = 1,5 + 2 + 0,25 = 3,75 m

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Pompes Centrifuges

2°) Exemple de projet d’installation :

Pertes de charges ( doc 2 , 3 et 4) :

• Tuyauterie : Q= 20 l/mn et V = 4 m/s

d’où ΔP/m = 0,46 bar/m et Φint = 10 mm

ΔPTuyauterie = 0,46 . 3,75 = 1,73 bar

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• Autres composants ( pertes singulières) :

• Distributeur ( doc 2): 3 bar

Pompes Centrifuges

2°) Exemple de projet d’installation :

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• Autres composants ( pertes singulières) :

• Réducteur de débit ( doc 3): 10 bar

ΔPtotal = 1,73 + 3 + 10 = 14,73 bar

Ppompe= 35 + 14,73 = 50 bar

Pompes Centrifuges

2°) Exemple de projet d’installation :

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Pompes Centrifuges

Pertes de Charges :

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Courbes caractéristiques réelles :

Hmt = Hth - ΔHT Sachant que :

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Point de fonctionnement :

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La puissance utile 𝜂g = Puissance utile / Puissance sur l’arbre

Puissance sur l’arbre = c.𝝎

Courbes caractéristiques réelles :

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Etude des pompes couplées : Pompes en série

Pompes Centrifuges

Couplage de pompes

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56

Etude des pompes couplées : Pompes en parallèle

Pompes Centrifuges

Couplage de pompes

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Turbines Hydrauliques

Introduction

Depuis la roue à aubes entraînant un moulin, les machines hydrauliques ont

subi une évolution technique considérable

Il existe actuellement plusieurs types de turbines, et pour chaque type, une

large plage de caractéristiques.

Définition d’une turbine hydraulique

C’est une machine alimentée en eau sous pression, qui met en mouvement une

roue à aubes et produit de la force, ou puissance mécanique, par l’intermédiaire

d’un arbre en rotation .

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VR: vanne de réglage du débit

d’eau (nommée distributeur ou

injecteur selon le type de turbine).

Elle permet de régler la puissance

en fonction des besoins du

consommateur et de l'eau à

disposition

RA: roue à aubes ou à augets

AR: arbre en rotation

Phyd : puissance hydraulique fournie à la turbine par un débit d’eau sous pression Pmec : puissance mécanique délivrée par la turbine

Définition d’une turbine hydraulique

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Principaux types de turbines

On peut classer les turbines selon leur principe de fonctionnement en deux grandes catégories :

Les turbines à action

Une turbine à action est une turbine dans laquelle :

L’eau en pénétrant dans le rotor , possède toute la vitesse dont la chute utilisable dans ce point est capable ;elle est sans pression effective ;son énergie est entièrement cinétique et il y’a donc seulement dans le rotor , transformation d’énergie cinétique en énergie mécanique de rotation.

les deux principales turbines à action sont :

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Principaux types de turbines

Les turbines à action la turbine PELTON

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la turbine CROSSFLOW

Principaux types de turbines

Les turbines à action

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Principaux types de turbines

Les turbines à réaction

Une turbine à réaction est une turbine dans laquelle :

L’eau, en arrivant au rotor , a une vitesse réduite, correspondant à une fraction seulement de la chute utilisable en ce point ;elle est par contre sous pression.

La portion de chute utilisée sous forme de vitesse est :

celle sous forme de pression :

Les deux principales turbines à réaction sont :

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Principaux types de turbines

Les turbines à réaction

la turbine FRANCIS

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Principaux types de turbines

Les turbines à réaction la turbine KAPLAN

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

L’étude des turbines hydrauliques , qui sont des machines réceptrices d’énergie , montées sur des conduites gravitaires , se fera avec les mêmes outils que les pompes centrifuges , à savoir :

•le théorème de BERNOUILLI , •la relation d’EULER , •les triangles des vitesses.

1°) Cas général

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Turbines Hydrauliques

Etude théorique

En utilisant BERNOUILLI entre les points 1et 2 , puis entre 2 et 5 on aura :

Hn = Hauteur nette : c’est la charge

absorbée par la turbine.

HG = Hauteur géométrique = z1-z5

ΔH12 = charge dans la conduite gravitaire

Hu = Hauteur utile = charge restituée par la turbine

ΔHt = perte de charge à l’intérieur de la turbine

Le rendement global de la turbine vaut alors :

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2°) Turbine PELTON

Turbines Hydrauliques Etude théorique

Le jet arrive sur l’arête centrale en 3 , puis se partage en deux et quitte l’auget aux points 4 ;

La hauteur de chute est donc considérée entre 1 et 4 et non entre 1 et 5 :

HG = z1-z4

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

2°) Turbine PELTON

• L’étude de la conduite gravitaire , nous permet de connaitre les conditions au point 2 et notamment la hauteur nette Hn.

• L’étude de l’injecteur , où en général les pertes de charge sont très faibles , nous permet de déterminer la vitesse du jet d’eau C3 ( Notée V3 au début du cours: vitesse absolue).

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

2°) Turbine PELTON

• L’étude de la roue , nous donne des triangles de vitesse aplatis, si nous considérons que les augets sont sans angles d’ouvertures :

• La charge H43 représente la charge disponible sur l’arbre de la turbine, c'est-à-dire la charge utile

• Charge utile qui est fonction de la vitesse d’entrainement U :

• Le maximum récupéré sera obtenu pour : c'est-à-dire :

• En réalité compte tenu de l’ouverture des augets , des frottements dans la roue et des pertes par chocs, nous aurons en pratique :

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

3°) Turbine FRANCIS

• L’eau arrivant par la conduite forcée est mise en pré-rotation dans la bâche spirale comportant des directrices : celles-ci servent à donner le bon angle à la vitesse d’arrivée C3 de l’eau sur la roue et peuvent aussi régler le débit.

• Le fluide traverse ensuite une roue hélicocentripète ( la particule fluide se déplace sur un cône en se rapprochant du centre ) puis un diffuseur , qui a la forme d’un cône légèrement divergent , avant de retrouver le canal de fuite

•La hauteur nette est calculée en étudiant la conduite gravitaire ( trajet 1-2).

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

3°) Turbine FRANCIS

•Dans la bâche spirale ( trajet 2-3) , il y’a transformation de l’énergie de pression en énergie cinétique. La position des directrices fixe le débit et la perte de charge est donnée par le constructeur.

•Pour la traversée de la roue ( trajet 3-4) l’application de la relation d’EULER donne :

•En appliquant BERNOUILLI dans le diffuseur et en ne considérant que la perte de charge pour l’élargissement brusque à la sortie du cône, on obtient :

•Cette expression est négative : le diffuseur est donc en dépression

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Turbines Hydrauliques Etude théorique

4°) Turbine KAPLAN

•On retrouve à peu près les mêmes relations que pour la Turbine FRANCIS:

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Machines Centrifuges Lois de similitude

Les propriétés énoncées ,ont trait soit à des appareils identiques,

dont les vitesses de rotation sont identiques, soit à des appareils

géométriquement semblables ( mêmes angles de construction) dont

les vitesses sont différentes.

• Pour une turbopompe d’un type donné :

• Le débit Q varie proportionnellement à la vitesse N ;

• La pression H varie proportionnellement au carré de la

vitesse N ;

• La puissance absorbée P varie proportionnellement au cube

de la vitesse N.

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Machines Centrifuges Lois de similitude

Dans le cas de similitude des dimensions de machines dans un

rapport donné k, on a les propriétés suivantes:

Q1/Q2 = k3 (N1/N2)

H1/H2=k2(N1/N2)2

P1/P2=k5(N1/N2)3

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Machines Centrifuges Lois de similitude / Vitesse spécifique

Toutes ces propriétés émises par Rateau au 19ème siècle,

ont été validées expérimentalement.

En éliminant k entre la première et la deuxième expression,

il vient : (Q1/Q2)1/2 = (N2/N1).(H1/H2)

3/4

D’où l’expression de la vitesse spécifique NS qui se conserve

entre points correspondants de machines semblables :

NS = N1.( Q11/2 / H1

3/4) = N2.( Q2 1/2 / H2

3/4)

La vitesse spécifique est ainsi la vitesse à laquelle

tournerait la pompe semblable débitant 1m3/s sous

une hauteur de 1m .

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Machines Centrifuges

Vitesse spécifique

n [tr/min]

q [m3/s], H [m]

Radial Demi radial

Demi axial

Axial

nq 12-35 35-80 80-200 150-400

Hauteur

élevé moyen moyen faible

Débit faible moyen moyen élevé

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Machines Centrifuges

Lois de similitude appliquées aux turbines

Il est possible de calculer les nouvelles caractéristiques d’une turbine

construite pour un site donné et qu’on veut déplacer sur un nouveau site de chute différente ( achat d’une turbine d’occasion par exemple).

• Changement des caractéristiques de fonctionnement d’une turbine donnée

Exemple 1

On se propose d’acheter une turbine KAPLAN, afin de l’installer sur un site dont la

chute vaut : H = 3.5 m.

On nous propose une machine complète d’occasion ( turbine + génératrice) ,dont

la plaque signalétique indique les données suivantes :

N = 600 trs / mn H = 4.50 m Q = 2 m3 / s P = 75 KW = Puissance à l’arbre

Peut –on utiliser l’ancienne génératrice ?

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Machines Centrifuges

Lois de similitude appliquées aux turbines

Les lois de similitudes rappelées ci contre , nous permettront de déterminer les nouvelles caractéristiques à partir de la nouvelle hauteur de chute imposée :

• Changement des caractéristiques de fonctionnement d’une turbine donnée

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Machines Centrifuges

Lois de similitude appliquées aux turbines

• Changement des caractéristiques de fonctionnement d’une turbine donnée

Sachant que : : H1 = 4.5 m et que H2 = 3.5 m

l’application numérique donne :

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Machines Centrifuges

Lois de similitude appliquées aux turbines

• Changement des caractéristiques de fonctionnement d’une turbine donnée

La nouvelle vitesse de rotation n’est pas en correspondance avec la fréquence du réseau ( fraction de 50 Hz ou de 3000 trs /mn ), la génératrice ne peut être directement entrainée par la turbine .

Un système d’adaptation mécanique de vitesse ( poulie-courroie, chaine , réducteur …), doit être interposé entre la turbine et sa génératrice.

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LA CAVITATION

Notion de pression de vapeur saturante

θ [°C] P [Pa] θ[°C] P [Ppa]

0 611 40 7375

5 872 45 9582

10 1227 50 12335

15 1704 60 19919

20 2337 70 31160

25 3166 80 47359

30 4242 90 70109

35 5622 100 101325

A une température donnée, la pression qui règne lors

du changement de phase EAU VAPEUR,

s’appelle la pression de vapeur saturante : pvs.

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LA CAVITATION

• A l’entrée de la roue la pression absolue se réduit à sa tension de vapeur, une valeur qui dépend de la nature et de la température du liquide. • La brusque explosion des bulles de vapeur provoque l’érosion des pièces métalliques en formant des cavités sur leurs surfaces • Baisse de performances et Vibrations menant à une panne complète

Surface érodée par cavitation d’une hélice d’un navire

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LA CAVITATION

N.P.S.H. : Net Positive Succion Head (hauteur pratique de charge absolue)

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LA CAVITATION:

Au dessus d’un certain débit,

le phénomène de cavitation

est presque inévitable.

• Minimiser les pertes de charges singulières et linéaires au niveau d’aspiration, soit une longueur de tuyau minimum, qui donne le moins d’accident possibles.

• Minimiser la hauteur géodésique

• Pressuriser la conduite d’aspiration

• Minimiser la vitesse de rotation de la pompe

• Minimiser la température du fluide

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