Les bulbes, le cœur du système.e


 

boule.gif (3849 octets) Introduction.

 

Les anciens moulins à marées n'étaient actionnés que lorsque la mer se retirait, c'est à dire deux fois par jour. En revanche, par souci de rentabilité, l'usine marémotrice de la Rance est capable de turbiner aussi bien au moment du remplissage du bassin qu'à celui du vidage, à marée montante comme à marée descendante.

Pour cela, EDF a mis au point un nouveau type de turbines, les groupes bulbes, capables de fonctionner dans les deux sens. Ces groupes sont constitués d'une turbine Kaplan reliée par son axe à un alternateur logé dans une boite en forme de bulbe.

Pour augmenter encore le temps d'exploitation de l'usine, les groupes bulbes ont été conçus de manière à pouvoir être utilisés comme pompe. Ainsi, lorsque la mer est proche du niveau du bassin, le remplissage de ce dernier est accéléré par pompage. Ce supplément permet d'augmenter le volume d'eau du bassin et ainsi, lors du flux suivant, les turbines seront actionnées plus tôt et plus longtemps. Ce système de pompage-turbinage permet d'amplifier ou d'anticiper la production en fonction des besoins en électricité du réseau.

 

 

 

boule.gif (3849 octets) Structure générale.

 

Un groupe bulbe est constitué essentiellement d'une turbine axiale (l'écoulement étant axial) depuis la section d'entrée jusqu'à la section de sortie entraînant directement un alternateur fonctionnant à l'intérieur d'un carter étanche profilé en forme de bulbe. L'alternateur est installé dans le circuit hydraulique, le bâtiment d'usine peut donc être supprimé ; on arrive alors à une construction ramassée, monobloc, d'un montage aisé et rapide.

Le groupe bulbe est conçu avec double réglage (le distributeur et les pales sont réglables) avec simple réglage (distributeur fixe et pales mobiles). Le bulbe équipé d'une vanne aval est particulièrement apte au fonctionnement en déchargeur lorsque la continuité du débit doit être assurée à travers la turbine et en particulier si le groupe est brutalement déconnecté du réseau.

Coupe de l'installation

Les axes de directrices sont sur un cône de même axe que le groupe (distributeur conique).  La roue, axiale, est constituée par une hélice à pales mobiles. L'aspirateur diffuseur est rectiligne ou faiblement incurvé. L'alternateur, de dimensions réduites, est disposé en amont de la roue. L'alternateur tourne dans l'air pressurisé. L'ensemble, dont l'axe est horizontal ou faiblement incliné, est immergé dans une galerie reliant les biefs amont et aval de l'aménagement hydroélectrique au travers du barrage de retenue.

Cette disposition est particulièrement bien adaptée aux très basses chutes (2 à 15 m), aux grands marnages et aux gros débits (jusqu'à 400 m3/s).  Le tracé sensiblement rectiligne du conduit améliore les performances hydrauliques de l'écoulement, ce qui permet de diminuer les dimensions à puissance égale, avec toujours la possibilité de fonctionner en pompe (machine réversible). 

Les groupes bulbes peuvent être rendus symétriques : ils ont alors une aptitude remarquable à fonctionner indifféremment dans les deux sens de circulation et cela non seulement en turbine, mais également en pompe. C'est d'ailleurs essentiellement en raison de cette aptitude que les groupes bulbes ont été choisis pour équiper l'usine marémotrice.

 

 

boule.gif (3849 octets) Caractéristiques de fonctionnement.

 

puce1.gif (370 octets) Les principales caractéristiques des groupes bulbes.

 

puce2.gif (226 octets) Données générales

Puissance installée : 240 MW
Productivité nette annuelle : 544 millions de kWh (énergie de pompage déduite)
Mensurations de chaque groupe : 5,3 m de diamètre / 470 tonnes
Nombre de groupes : 24
 Mise en service : 1er groupe : Août 66 ; 24ème groupe : décembre 67

 

puce2.gif (226 octets) Turbines

type : Kaplan horizontale
distributeur : conique
nombre de pales : 4
inclinaison des pales :  -5° à + 35°
débit maximal par turbine : 275 m3/s

 

puce2.gif (226 octets) Alternateurs

puissance unitaire : 10 MW
type synchrone : à excitation statique
vitesse de rotation normale : 93,75 tr/min
tension de sortie : 3,5 kV

 

 

puce1.gif (370 octets) Les types de fonctionnement des groupes.

 

 - Pour l'écoulement bassin - mer l'eau va du distributeur vers la roue, l'ouverture du distributeur et l'inclinaison des pales sont conjuguées.

 - Pour l'écoulement mer - bassin, l'eau va de la roue vers le distributeur, ce dernier est bloqué et verrouillé à sa pleine ouverture.

Selon les spécifications du cahier des charges, les groupes devaient fonctionner sous les chutes limites d'utilisation en convenant d'affecter du signe + les hauteurs de chutes qui correspondent à des niveaux du bassin supérieurs à ceux de la mer et du signe - ceux qui correspondent à des niveaux inférieurs.

 

puce2.gif (226 octets) Écoulement dans le sens bassin - mer

 - turbine directe : entre + 11m et + 1m

 - pompe inversée accélératrice : entre +2m et 0m

 - pompe inversée normale : entre 0m et -6m

 - orifice direct : entre +3m et 0m

 

puce2.gif (226 octets) Écoulement dans le sens mer - bassin

- turbine inversée : entre -11m et -1m

 - pompe directe accélératrice : entre -3m et 0m

 - pompe directe normale : entre 0m et +6m

 - orifice inversé : entre -3m et 0m

 

Les organes de manœuvre, directrices orientables et pales mobiles ont été dimensionnés pour ces conditions maximales de fonctionnement, qui ont été effectivement obtenue, lors de la mise en route des 2 premiers groupes du 14 septembre 66 au 27 janvier 67, en fonction des marées et des niveaux du bassin disponible.

 

 

 

boule.gif (3849 octets) Mode de régulation.

 

puce1.gif (370 octets) Rôles de la régulation.

 

Dans une installation hydroélectrique, comprenant une turbine et un alternateur, réglée et soumise à une régulation automatique, la grandeur de sortie (grandeur réglée) doit être la plus voisine possible de la valeur demandée (grandeur de consigne) soit une fréquence de 50Hz en France, et ceci malgré les diverses perturbations qui s'exercent sur elle.

Le but premier de la régulation est donc de maintenir la fréquence du réseau constante. Pour cela, le système de régulation agit sur le débit d'eau admis dans la turbine pour équilibrer la puissance fournie par la turbine et la puissance absorbée par le réseau. Ainsi, la régulation doit commander un organe de la machine capable de contrôler le débit d'eau entrant dans la turbine et de contrôler l'énergie transférée par l'eau à la turbine grâce à la commande des pales.

 

puce1.gif (370 octets) Mise en œuvre de la régulation à La Rance.

 

 Les turbines axiales à double flux du type Rance comportent deux organes de réglage :

- le distributeur qui constitue une grille fixe à aubes orientables,

- une roue mobile à pales orientables.

Coupe d'un bulbe
Coupe du groupe bulbe. en rouge: alternateur et le cône turbine/en bleu: le distributeur avant/en vert : le distributeur conique et le cercle de vannage

 

puce2.gif (226 octets) Pour le fonctionnement en turbine directe:

L'écoulement s'effectue du distributeur vers la roue. Le distributeur doit assurer le réglage en conjugaison avec les pales de la roue de façon à obtenir le meilleur rendement, assurer l'arrêt du groupe pour les disjonctions.

puce2.gif (226 octets) Pour le fonctionnement en turbine inversée :

L'écoulement s'effectue de la roue vers le distributeur. La roue peut donc, pour certains régimes, y engendrer des vibrations dangereuses. C'est pourquoi les aubes du distributeur sont bloquées en position de pleine ouverture et verrouillées le plus rigidement possible.

 

puce1.gif (370 octets) Description du distributeur conique.

Cercle de vannage commandant le distributeur Le distributeur, du type conique, comporte un jeu de directrices mobiles montées entre deux fiasques sphériques concentriques portant les douilles, le pivotement et les étanchéités. Les directrices sont reliées, par un système de leviers et de biellettes à rotule, à un cercle de vannage qui est manœuvré par deux servomoteurs à huile verticaux placés sous la dépendance du système de réglage.

 

 

puce1.gif (370 octets) Asservissements des organes de vannage.

 

 Pour chaque groupe la commande des organes de vannage, c'est-à-dire de l'ouverture du distributeur et de l'inclinaison des pales, comporte :

 - un asservissement hydraulique pour la commande des aubes du distributeur,

 - un asservissement hydraulique pour la commande des pales de la roue.

 

 Chacun de ces asservissements hydrauliques comprend un " mélangeur " qui reçoit des ordres électriques soit de l'entrée du système, soit de la sortie (contre-réaction). Le signal à la sortie du mélangeur commande, après amplification, "l'actionneur", qui transforme l'ordre électrique en un déplacement de tiroir. Le mouvement de ce dernier provoque la levée de la soupape qui alimente le moteur hydraulique.

 

 Pour chaque groupe on introduit un signal tachymétrique dans le " mélangeur " de commande des pales. Cet ordre permet d'amener le groupe au voisinage de la vitesse de synchronisme. Il s'élimine automatiquement après couplage.

 

Ces résultats sont obtenus par le système asservi représenté ci-dessous :

Ainsi, la valeur de consigne fc, choisie par l'opérateur, est comparée dans le mélangeur à celle donnée par l'organe M de mesure de la grandeur réglée f. L'écart e entre ces deux valeurs est appelé écart de régulation. A partir de celui-ci, par l'intermédiaire des organes de réglage , distributeur conique et pales orientables, est engendré une grandeur, appelée grandeur réglante, X, agissant sur le système réglé S, et ce jusqu'à ce que la grandeur réglée f ait atteint la fréquence de consigne fc : on a alors e = 0. Les organes de réglage et le système réglé S constituent la chaîne de commande. L'organe de mesure de la grandeur réglée M et le mélangeur réalisent l'asservissement.

 

 

puce1.gif (370 octets) Prévenir les grands écarts de vitesse.

 

 En plus de son rôle d'adaptation à des vitesses de rotation, le régulateur a pour but de limiter, à une valeur admissible, les grandes écarts de vitesse qui seraient occasionnés par de brusques variations de charges, et dont l'amplitude peut parfois être très grande. Le système de régulation a donc un rôle de protection du groupe turboalternateur. En effet, les brusques variations de charge sont l'une des sources les plus importantes de détérioration du matériel hydroélectrique . En fait, on voit donc que le deuxième rôle du système de régulation des turbines hydroélectriques est d'accroître la durée de vie du groupe turbine-alternateur. Ainsi, sans système de régulation, une variation de charge de grande amplitude pourrait, dans un cas extrême, engendrer la décharge totale de l'alternateur. Un système de régulation devra donc également pouvoir gérer les cas d'emballement de la turbine.

 

 

 


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