Conception des systèmes de production hydroélectrique

Ce document constitue un recueil de notes de calculs en français, conçu pour les ingénieurs et étudiants désireux de maîtriser la conception d'aménagements hydroélectriques. Il aborde de manière structurée les différents aspects, depuis la sélection des turbines jusqu'à l'analyse des transitoires hydrauliques et de la stabilité électrique des groupes.

Objectif

L'objectif principal de ces notes est de fournir une méthodologie de conception pour un système de production de centrale hydroélectrique, sans dépendre de logiciels complexes, hormis ceux dédiés à la sélection des groupes Turbine/Alternateur (T/A). Elles visent à équiper les jeunes ingénieurs d'une approche rapide et efficace pour l'identification de sites aménageables et l'élaboration de schémas succincts. Initialement développées pour Hydro-Québec, ces notes ont été adaptées pour l'enseignement à l'École Polytechnique de Montréal.

Mise en Garde

Le document est en constante évolution, d'où la mention "Préliminaire – en Préparation". Les cas d'étude sont hypothétiques. Les calculs sont présentés pour être reproduits et vérifiés, encourageant ainsi l'identification d'éventuelles erreurs de chiffres, ce qui attesterait d'une compréhension approfondie des étapes.

Pour tous les cas-types (sauf le cas n°6), les données de base suivantes sont considérées :

• Niveau amont: 122,0 m

• Niveau aval: 52,4 m

• Chute brute: 69,6 m

• Facteur d'équipement: 0,80

• Débit d'équipement: 182,7 m³/s

• Type de turbines: Francis

Il s'agit donc d'une centrale à chute moyenne avec des arrangements d'ouvrages variés.

Principales Composantes d'un Aménagement Hydroélectrique

Les aménagements hydroélectriques sont composés de plusieurs éléments majeurs dont la taille varie selon le site :

• Système de production électrique

• Système d'évacuation d'eau

• Barrages et Digues de fermetures (pour le bief ou le réservoir)

• Système de dérivation provisoire

• Poste de départ et Ligne de transport

• Infrastructures de support (cité de construction, routes, ponts, etc.)

Ce document se concentre sur les systèmes de production, qui incluent (de l'amont vers l'aval) :

• Canal d'amenée

• Dessableur

• Prise d'eau

• Galeries d'amenée, Conduites forcées et Cheminée d'équilibre

• Usine

• Galerie de fuite, Canal de fuite et Chambre d'équilibre

Prise d'eau : Éléments Essentiels

• Pertuis d'alimentation

• Grilles à débris (avec rainures et dégrilleur)

• Vannes batardeau (avec rainures et système de levage)

• Vannes de prise d'eau (avec rainures et système de levage)

• Reniflard

Usine Hydroélectrique : Éléments Essentiels

• Groupes turbine-alternateur

• Vannes de garde (souvent remplacées par les vannes de prise d'eau)

• Pont roulant ou Grue portique

• Équipements électriques majeurs et auxiliaires

• Équipements mécaniques majeurs et auxiliaires

• Bâtiment intégrant plusieurs étages pour:

  • Aire de service, Salle de commande, Salles de réunion/bureaux

  • Ateliers (mécanique, électrique, automatismes)

  • Salle de Télécom, Salle des protections, Salles techniques (huiles, compresseurs, filtres d'eau)

  • Cuisine, Toilettes

  • Galerie de drainage, Plancher d'accès aux cônes d'aspirateurs, Planchers des turbines et alternateurs

  • Puits de vidange des aspirateurs, Puits de drainage, Salles des batteries/chargeurs, Cages d'escaliers/monte-charge

  • Hall de décuvage des transformateurs

  • Baie des transformateurs (emplacement variable, parfois dans le poste de départ pour petites centrales)

• Bâche spirale

• Aspirateur et vanne d'aspirateur (poutrelles)

• Système d'évacuation d'énergie

Types d'Aménagements Hydroélectriques

L'agencement des composantes varie considérablement. Certains aménagements peuvent ne pas inclure de galeries ou canaux d'amenée/fuite, ou avoir des conduites forcées très courtes sans cheminée d'équilibre.

Classification selon la Hauteur de Chute Nette

Les limites suivantes peuvent varier selon les auteurs.

• Haute chute: Chute nette > 250 m à 300 m

• Chute moyenne: 35 m < Chute nette < 250 m à 300 m

• Basse chute: Chute nette < 35 m (inclut les centrales marémotrices)

Classification selon la Puissance Développée

Cette classification n'est pas universelle, elle varie selon les pays et organismes.

• Pico centrale: typiquement < 20 kW

• Micro centrale: typiquement 20 kW < P < 0,5 MW

• Mini centrale: typiquement 0,5 MW < P < 2 MW

• Petite centrale: typiquement 2 MW < P < 10 MW

• Moyenne centrale: typiquement 10 MW < P < 75 MW

• Grande centrale: typiquement 75 MW < P < 1000 MW

• Très Grande centrale: typiquement > 1000 MW

Tableau Comparatif des Définitions de Puissance (Micro, Mini, Petite Hydro)

Classification selon le Volume de la Réserve d'Eau

• Aménagement au fil de l'eau: Sans réservoir, le régime hydrologique de la rivière est naturel.

• Aménagement avec réservoir: Le régime hydrologique est modifié.

  • Réservoir journalier: Production de pointe le jour, récupération la nuit.

  • Réservoir annuel: Accumulation en saison des pluies, production soutenue en saison sèche.

  • Réservoir interannuel: Régularisation du débit sur plusieurs années.

La conception d'un aménagement hydroélectrique implique l'étude de nombreuses variantes, avec une sélection finale basée sur des critères physiques, sociaux, écologiques et technico-économiques. Les études peuvent s'étendre sur des années, nécessitant des réévaluations régulières pour intégrer l'évolution des critères, contraintes et technologies.

Cas de Centrales de Basse Chute

Le Cas-type#6 détaille le calcul des surpressions pour une centrale de basse chute où la prise d'eau est intégrée à l'usine. Dans ce cas, la longueur de l'adduction est comparable à celle de l'aspirateur.

Pour d'autres centrales de basse chute avec de longues adductions (conduite forcée ou tunnel), les méthodes de calcul des surpressions exposées dans ce document sont applicables. Il est important de noter que les surpressions peuvent représenter un grand pourcentage de la chute nominale dans les centrales de basse chute, ce qui requiert une attention particulière.

Dans les régions froides, une attention spécifique doit être portée aux bassins de mise en charge, en particulier s'ils suivent un tunnel de transfert pour alimenter une usine de basse chute. Le gel de ces bassins peut entraîner des désagréments pour les équipements mécaniques, les surpressions devant alors parcourir tout le tunnel jusqu'au bief amont. L'aménagement de Chute Bell au Québec est un exemple de ce type.

I. Groupe Turbine - Alternateur

Le groupe Turbine-Alternateur (T/A) est le cœur de la production électrique. La turbine convertit la puissance hydraulique en puissance mécanique, tandis que l'alternateur transforme cette puissance mécanique en puissance électrique.

• Puissance hydraulique:

• Puissance mécanique:

• Puissance électrique:

Où :

• : Rendement de la turbine

• : Rendement de l'alternateur

• : Masse volumique de l'eau

• : Accélération gravitationnelle

• : Poids spécifique de l'eau

• : Hauteur de chute nette

• : Débit du groupe

Principaux Éléments d'un Groupe Turbine-Alternateur (Fig. 1-1)

• Une excitatrice avec régulateur de tension

• Un alternateur (stator et rotor)

• Un arbre

• Une turbine hydraulique avec régulateur de vitesse

• Une bâche spirale

• Un aspirateur

• Deux ou trois paliers-guides

• Une pivoterie

• Un tube central (souvent) pour alimenter en air la torche à la sortie de la turbine (Fig. 1-2)

Le rotor, l'arbre, et la turbine constituent la masse tournante qui détermine l'inertie du groupe (), la constante d'inertie (), et le temps de lancer mécanique (). La masse de l'alternateur est prépondérante. Un volant d'inertie est parfois ajouté pour les petits groupes.

Les turbines hydrauliques (Fig. 1-3) sont des roues munies de pales, aubes, godets, ou augets, qui convertissent la charge hydraulique et le débit en puissance mécanique.

Classes de Turbines

Il existe essentiellement deux classes de turbines:

1. Les turbines à action:

   • Turbine Pelton

   • Cross-Flow

2. Les turbines à réaction:

   • Turbine Francis

   • Turbine Kaplan

   • Turbines à Hélices

Chaque type de turbine est adapté à des conditions spécifiques de charge et de débit pour optimiser le rendement, la stabilité (vibrations) et prévenir la cavitation.

• La turbine Pelton (action) est idéale pour les hautes chutes et petits débits.

• La turbine Francis convient aux chutes moyennes et une large gamme de débits.

• Les turbines Kaplan et à Hélices sont utilisées pour les basses chutes et une large gamme de débits.

La Fig. 1-4 illustre les plages d'utilisation de ces turbines. La turbine Kaplan se différencie par ses pales à orientation variable, tandis que la turbine à hélices a des pales à angle fixe.

La Fig. 1-5 offre une perspective pour les petites centrales hydroélectriques (< ) où la turbine Crossflow (Ossberger) couvre une large plage, chevauchant les Francis et Kaplan. Le choix final dépendra aussi des aspects économiques et géotechniques, avec l'avis des spécialistes (mécanique-turbine et manufacturiers).

Alternateur

L'alternateur, un équipement électromécanique, est connecté à la turbine par un arbre. Il est principalement composé d'un rotor, d'un stator, et d'une excitatrice.

Sa fonction est de convertir la puissance mécanique en puissance électrique selon la relation:

undefined \begin{array}{l} l_v = 4,50\,\mathrm{m} \\ d_v = 5,57\,\mathrm{m} \\ \rightarrow \text{Aire} = 4,50 \times 5,57 = 25,065\,\mathrm{m}^2 > 24,35\,\mathrm{m}^2 \quad (\text{O.K}) \\ \end{array} " data-type="inline-math"></p><p style="text-align: left;">Vitesse à la vanne = <span data-latex="91,35\,\mathrm{m}^3/\mathrm{s} / 25,065\,\mathrm{m}^2 = 3,645\,\mathrm{m/s} &lt; V_{\text{dans la conduite}} \quad (\text{O.K})" data-type="inline-math"></span></p><p style="text-align: left;">3-2-2) Calage de la Prise d'Eau</p><p style="text-align: left;">Deux critères sont considérés : la <strong>Submergence</strong> et la <strong>Couverture rocheuse</strong>.</p><ol type="a"><li><p style="text-align: left;"><strong>Submergence:</strong></p><p style="text-align: left;">Le calage minimum doit satisfaire le critère de <strong>Gordon</strong> par rapport au niveau minimum du réservoir. Pour une approche d'eau symétrique:</p><p style="text-align: left;"> <span data-latex=" S = 0,54 V_{\text{à la vanne}} d^{1/2} = 0,54 \times 3,645 \times 5,57^{1/2} = 4,64\,\mathrm{m} " data-type="inline-math">$

Si l'approche est asymétrique: .

Calage minimum du radier à la vanne =

Niveau final du radier =

D'autres formules de submergence existent (Knauss, Nagarkar, Rohan). La formule de Gordon est considérée moins conservatrice. La submergence se réfère toujours au linteau de la vanne de prise d'eau, en utilisant la vitesse brute à la vanne.

Au Québec, la vérification de la submergence aux grilles à débris est également effectuée, mais la protection contre la glace en hiver est un facteur prépondérant.

3-2-3) Grille à Débris

• Vitesse nette maximale (critère):

• Encombrement par les barreaux:

• Vitesse brute maximale à la grille (critère):

Aire minimale de la gueule =

En choisissant un rapport (pour optimiser le poids des poutrelles), on obtient: .

NOTA: La vitesse brute à la grille peut varier (0,8 à 1,6 m/s) selon le type de débris. Pour des vitesses élevées, des études de vibrations peuvent être nécessaires. La submergence des grilles doit être vérifiée, en s'assurant qu'elles sont sous le couvert de glace en hiver.

3-2-4) Voie de Circulation

Prévoir une largeur totale de sur la prise d'eau pour la voie de circulation, l'abri des treuils de vannes, les garde-fous et chasse-roues.

3-2-5) Transitions et Construction Géométrique

• La transition entre la section rectangulaire de la vanne et la section circulaire de la conduite doit avoir un angle d'élargissement latéral (7° par face) pour éviter le décollement de la veine d'eau.

• La transition entre la grille et la face amont de la vanne se fait par des ellipses.

• La grille doit être suffisamment submergée et hors de l'emprise de la glace.

• Le seuil de la prise d'eau est souvent profilé (pour centrales souterraines amont) ou plat (pour centrales externes).

• À Hydro-Québec, les faces amont des prises d'eau sont souvent verticales pour faciliter le déblayage des débris et minimiser les coûts d'un dégrilleur peu utilisé. Les mêmes rainures sont souvent utilisées pour la grille et les poutrelles.

• Les prises d'eau avec face amont inclinée utilisent des dégrilleurs permanents et offrent de faibles vitesses d'alimentation avec moins de pertes de charge.

• La vanne doit avoir une étanchéité amont (permettant un reniflard aval) et les poutrelles une étanchéité aval (pour la sécurité lors des vidanges).

3-3) Canal d'Amenée

L'entre-axe critique entre les groupes T/A, donné par un logiciel spécialisé ou par le spécialiste en turbines, est de . Cela conditionne l'espace minimal entre les groupes, les bâches spirales et la cloison rocheuse entre les aspirateurs et les galeries/conduites forcées (épaisseur minimale de ).

• Largeur du canal à la prise d'eau:

• Épaisseur du béton du radier de la prise d'eau: entre et

• Niveau du fond du canal à la prise d'eau:

• Profondeur d'eau:

• Vitesse dans le canal (immédiatement en amont de la prise d'eau):

Vérification des conditions de glace

• Prise de glace: (O.K.)

• Progression du bord frontal de la glace: (O.K.)

Ces conditions doivent être respectées sur toute la longueur du canal à . Pour réduire les excavations, le radier peut être rehaussé vers l'amont (pente < 15%), en vérifiant que la vitesse sous la glace ne dépasse pas au . Une plateforme de travail de de large est généralement prévue devant la prise d'eau.

3-4) Conduite Blindée

• Le diamètre est généralement égal au diamètre d'entrée de la bâche spirale (calculé, fourni par le spécialiste, ou par logiciel LSCG-T/A ou ECOP).

• Il peut être déterminé par calcul économique si le blindage est étendu pour des raisons géologiques, et doit être entre le diamètre de la bâche et celui de la conduite bétonnée pour assurer une vitesse croissante vers l'aval.

La vitesse économique est entre $68\,\mathrm{m/s}" data-type="inline-math"></span> (souvent égale à la vitesse d'entrée de la bâche spirale).</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">D'après les données du turbinier (ECOP), le diamètre d'entrée de la bâche (<span data-latex="\varnothing" data-type="inline-math"></span>) = <span data-latex="4,2\,\mathrm{m}" data-type="inline-math"></span></p></li><li><p style="text-align: left;">Aire = <span data-latex="13,85\,\mathrm{m}^2" data-type="inline-math"></span></p></li><li><p style="text-align: left;">Vitesse = <span data-latex="6,55\,\mathrm{m/s}" data-type="inline-math"></span></p></li><li><p style="text-align: left;">Longueur = <span data-latex="30\,\mathrm{m}" data-type="inline-math"></span> (dépend de la nature du roc et de la disposition de la centrale).</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">3-5) Calage de l'Usine (Bloc-Centrale)</h3><p style="text-align: left;">Les turbines à réaction modernes sont généralement calées en-dessous du niveau d'eau aval. Le calage de l'usine est basé sur le niveau d'eau aval pour le débit d'un groupe à pleine capacité (91,35 m³/s ici). Pour plusieurs groupes, on considère le débit minimum de groupes susceptibles de fonctionner.</p><p style="text-align: left;">Avec la courbe de tarage aval, <span data-latex="\mathrm{N_{aval-1GROUPE}} = 52,2\,\mathrm{m}" data-type="inline-math"></span>. D'après ECOP, le calage du plan horizontal de la turbine (roue Francis) = <span data-latex="-1,7\,\mathrm{m}" data-type="inline-math"></span>.</p><p style="text-align: left;"><strong>Niveau de la turbine:</strong> <span data-latex="\mathrm{N_{turbine}} = 52,2\,\mathrm{m} - 1,7\,\mathrm{m} = 50,5\,\mathrm{m}" data-type="inline-math"></span>.</p><p style="text-align: left;"><strong>Nota:</strong> Pour une turbine Francis, le plan de la roue est le même que celui du distributeur. Pour Kaplan/Hélices, la roue est plus basse (1,5 à 2,0 m) que le distributeur (valeur à obtenir du turbinier).</p><p style="text-align: left;">Toutes les cotes relatives du logiciel doivent être converties en élévations absolues.</p><h3 style="text-align: left;">3-6) Implantation de la Centrale par Rapport à la Prise d'Eau</h3><p style="text-align: left;">3-6-1) Analyse Économique (Position du Roc, Coût des Excavations et Conduites Bétonnées)</p><p style="text-align: left;">Une analyse comparative des coûts permet d'optimiser l'emplacement:</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Coût du mètre linéaire des conduites forcées (coût unitaire 1980 à 1987):</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Excavation galerie circulaire: <span data-latex="(\pi / 4)(5,6 + 1,0) \mathbf{110\" data-type="inline-math"></span> / \mathrm{m}^3} = 3\,763\<span data-latex=" / \mathrm{m-linéaire}" data-type="inline-math"></span></p></li><li><p style="text-align: left;">Béton structural: <span data-latex="(\pi / 4)(6,6^2 - 5,6^2) \mathbf{310\" data-type="inline-math"></span> / \mathrm{m}^3} = 2\,970\<span data-latex=" / \mathrm{m-linéaire}" data-type="inline-math"></span> (en 2010: <span data-latex="1\,200\" data-type="inline-math"></span> / \mathrm{m}^3)

Déduction

La prise d'eau est positionnée là où la profondeur d'excavation du roc est de . L'élévation topographique du terrain naturel () à cet emplacement doit être de .

Si le terrain naturel est partout inférieur à , il est préférable de prolonger le canal d'amenée et de raccourcir les conduites forcées (partie en charge) pour diminuer les surpressions et éviter une cheminée d'équilibre.

3-6-2) Implantation en Considérant la Topographie

Le raccordement des coudes doit respecter un rayon tel que . Un est considéré comme une courbe et non un coude. Les croquis d'implantation doivent être à l'échelle.

3-7) Canal de Fuite

Données:

• Canal excavé dans de l'argile (limite).

• Longueur du canal .

• À la sortie des aspirateurs: , .

• Aire d'écoulement = .

• Vitesse = .

Plateforme horizontale de travail: entre $0undefined13\,467\" data-type="inline-math"> / \mathrm{m}undefined \Delta h_{\max} = \Delta H_{\max} / H_0 = (\Sigma L_i V_i / g H_o T_F) / (1 - \Sigma L_i V_i / 2 g H_o T_F) " data-type="inline-math">$

Où:

• : Chute nette

• : Temps de fermeture (10 sec normalisé; 4,75 sec pour Bersimis)

• : Longueur de la conduite + Longueur de la bâche + Longueur de l'aspirateur

8-2) Mise en Mouvement des Groupes Suite à une Variation Brusque du Niveau Aval

Pour les turbines à réaction modernes, calées sous le niveau minimum aval, il est nécessaire d'installer les poutrelles d'aspirateur lors de l'entretien d'un groupe, surtout si d'autres groupes sont en production. Les études des écoulements transitoires en cas de variation brutale du niveau aval suite au rejet de charge des groupes adjacents aident à concevoir des mécanismes de blocage sécuritaires des masses tournantes.

Sections Complémentaires - Cours Structures Hydrauliques

Les sections complémentaires du cours (non détaillées ici) traitent de la conception des ouvrages connexes (évacuateurs, dérivations provisoires) et d'un survol du système de régulation des vitesses et des niveaux d'eau, ainsi que de la vocation des centrales dans un réseau.

Références

1. Lucien Vivier, 1966, "Turbines hydrauliques et leur régulation. Théorie, construction, utilisation".

2. Alfred Stucky, 1958, "Chambres d'équilibre". Cours d'aménagement des chutes d'eau. École Polytechnique de l'Université de Lausanne.

3. Léopold Escande, 1971, "Hydraulique générale". INPT École Nationale Supérieure d'électrotechnique d'informatique et d'hydraulique. (Tome II).

4. Neyrpic, fév. 1955, "Bersimis – Lac Cassé, Cheminée d'équilibre à Étranglement. Calcul de dimensionnement. Essais sur modèle de l'étranglement". Pour la Commission hydroélectrique de Québec.

5. M. Hanif Chaudhry, 1987, "Applied Hydraulic Transients". V. N. Reinhold Company.

6. John Parmakian, 1955, "Waterhammer analysis". Dover publication, inc. N.Y.

IX. Données de Mécanique-Turbine (ECOP) Requises pour l'Implantation des Centrales et pour la Conception Hydraulique des Systèmes de Production - Compléments

Les logiciels de Mécanique-Turbine fournissent des données cruciales pour la conception hydraulique et l'implantation des centrales. La vocation de la centrale (rôle sur le réseau) peut influencer les critères de conception des systèmes d'adduction (taux d'amortissement, temps de lancer hydraulique). Par exemple, sur la Côte-Nord du Québec, sept centrales sur neuf ont des cheminées ou chambres d'équilibre en raison de leur position en bout de réseau.

Le tableau-C1 résume les intrants nécessaires (points 1 à 8) et les critères de stabilité pour dimensionner et positionner la cheminée d'équilibre. Les tableaux-C2, C3 et C4 sont des exemples de données ECOP d'Hydro-Québec, avec les informations pertinentes encerclées en rouge.

Utilisation des données ECOP:

• Temps de lancer mécanique (): Approximé par constante d'Inertie H(kWsec/kVA) (point 6-b, tableau-C2). Ex: .

• Inertie des masses tournantes : (point 6-b, tableau-C2).

• Temps de lancer hydraulique de la bâche (): (point-7, tableau-C3).

• Calage de la centrale: Basé sur l'axe de la roue par rapport au niveau d'eau aval (point-2, tableau-C2). Pour les Francis, cet axe coïncide avec celui du distributeur; pour Kaplan et Hélices, la roue est plus basse (à confirmer avec le mécanicien ou sur les plans ECOP).

• Niveau d'eau aval: Correspond au débit à pleine capacité d'un groupe ou du nombre minimum de groupes en fonctionnement.

• Temps de lancer hydraulique de l'aspirateur: Utiliser si aucune autre donnée fournie.

• Survitesses: L'ingénieur hydraulicien peut calculer les survitesses. Une communication continue avec l'ingénieur mécanicien est essentielle. Pour les hautes chutes, si les surpressions approchent à 10 sec de fermeture, une analyse conjointe des survitesses est critique.

Recommandations du Guide de conception d'Hydro-Québec:

• Temps de lancer hydraulique total: Inférieur à (toléré jusqu'à ).

• Majoration de la section de Thoma: Entre et (en réseau) et entre $2 (en marche isolée). La stabilité de réglage doit être prioritaire.

• Taux d'amortissement de la cheminée: Mal défini, mais un amortissement idéal est recherché.

Le temps d'ouverture des directrices (), caractéristique du régulateur de vitesse, ne doit pas être confondu avec le temps de montée en charge des groupes, qui sert à l'étude des oscillations.

X. Sélection et Dimensionnement des Turbines

X-1 : Rappel

Rappel des formules clés:

• Inertie naturelle des groupes: .

• Constante d'inertie (H): .

• Constante d'inertie naturelle (H) - statistique: .

• Temps de lancer mécanique: .

• Temps de lancer hydraulique: (calculé précédemment).

• Critères de stabilité de réglage: Hadley, USBR, Hydro-Québec, Woodward.

Correctifs pour Satisfaire les Critères de Stabilité de Réglage:

• Réduction du Temps de lancer hydraulique: Réduction des pertes de charge (augmentation de section, réduction de longueur, amélioration des coefficients de frottement).

• Augmentation de l'Inertie des groupes () et du Temps de lancer mécanique (): Ajout d'un volant d'inertie ou de masses dans l'alternateur.

• Ajustement des Temps de fermeture ( ou ) et d'Ouverture () des Directrices: Pour les turbines à réaction (5 à 12 secondes), en vérifiant les surpressions. Pour les Pelton, les déflecteurs permettent des temps de fermeture plus longs.

X-2 : Sélection des Turbines

Des diagrammes (Fig. 1-4, 1-5, et EDF SHEMA) sont utilisés pour choisir la turbine (Pelton, Francis, Banki/Crossflow, Kaplan) en fonction de la chute nette et du débit du groupe. La chute nette à utiliser est celle correspondant à un ou plusieurs groupes tournant à pleine capacité.

X-3 : Dimensionnement des Turbines à Réaction (Francis – Hélices – Kaplan)

Le dimensionnement des turbines implique la relation entre la puissance, le rendement, et la vitesse de rotation.

• Fréquence électrique: (60 Hz en Amérique, 50 Hz ailleurs). Tous les générateurs doivent avoir la même fréquence.

• Vitesse spécifique (): . Permet de comparer les turbines.

• L'ingénieur mécanicien est responsable du choix final du type et des dimensions de la turbine. L'ingénieur hydraulicien peut faire une sélection préliminaire pour dimensionner l'aménagement.

• L'évolution de la roue à réaction en fonction de (Ginocchio 1978) montre la variation des formes de roues. Le nombre d'aubages de la roue et du distributeur doit être sans diviseur commun pour éviter les vibrations.

• Une formule empirique pour (jusqu'à mi-1970): .

• La vitesse de rotation () est d'abord estimée par , puis affinée avec le tableau des Vitesses synchrones harmoniques pour s'approcher de .

• Le diamètre de la roue (D) est calculé par . Où .

• La cavitation doit être évitée. L'indice de cavitation . Il faut (De Siervo & de Leva). D'autres modèles existent (Lugaresi & Massa, ASME/EPRI, USBR).

X-4 : Dimensionnement des Turbines Pelton

Les turbines Pelton sont pour les hautes chutes, avec un système d'adduction long (galeries, conduites acier, ou combinaison, avec ou sans cheminée d'équilibre).

Le dimensionnement de l'adduction est similaire aux cas-types précédents. Pour Pelton, les déflecteurs dévient rapidement les jets, permettant d'éviter l'emballement des groupes.

• Régulation classique (pointeaux): Les critères de stabilité s'appliquent. Le déflecteur dévie le jet (Push-out-Deflector).

• Régulation par déflecteurs (Cut-in-Deflector): Le débit et la vitesse ne sont pas modifiés. Les critères de stabilité ne s'appliquent pas. Le temps de fermeture des pointeaux peut être très long pour éviter les surpressions.

Exemples d'installations Pelton (1 à 6 injecteurs, axe horizontal/vertical). Deux diamètres de roue importants: D₁ (diamètre primitif) et D₂ (diamètre extérieur).

XI. Dynamique de l'Arbre

Vibrations Normales:

Sur l'axe vertical, les masses tournantes sont maintenues par trois paliers guides (un au-dessus de l'alternateur, un en-dessous, un près de la turbine), parfois deux pour des raisons économiques.

Sur le plan horizontal, la pivoterie sous l'alternateur supporte les masses tournantes. Les arrêts/démarrages fréquents doivent être évités pour préserver ces éléments.

L'arbre oscille. La Fig. 5.21 de LG4 montre les classes de vibrations mesurées sur l'arbre.

Vibrations en Survitesse:

Les vibrations observées lors des survitesses sont un élément crucial de la dynamique de l'arbre.