Puissance mécanique

Turbine

La visite de terrain a permis de mettre en évidence la présence d'un équipement permettant de transformer la puissance hydraulique en puissance mécanique : une turbine Francis.

Michel HESCHUNG décrit le fonctionnement des anciennes turbines Francis dans le "Guide de réhabilitation des moulins hydrauliques en vue de la production d'électricité". [1]

Description d'une turbine Francis

La partie fixe de la turbine comprend l'anneau d'entretoises qui porte le distributeur et la cloche supportant le palier principal de la machine.

Le distributeur sert à régler le débit et à orienter l'écoulement de façon optimale vers les aubes de la roue. Il est constitué d'un ensemble d'aubes directrices dont l'orientation est réglée par l'intermédiaire des biellettes portées par l'anneau de vannage. Celui-ci est actionné par la tige de commande, par l'intermédiaire de deux tirants. Actuellement, son réglage se fait manuellement. Il sera nécessaire de l'automatiser et de réguler son ouverture en fonction des débits entrants.

La roue est placée à l'intérieur du distributeur. L'arbre de la roue est porté et guidé par le palier principal.

Cette turbine est mise en charge dans la chambre. L'eau arrive dans la turbine par l'extérieur, en passant par les aubes directrices du cercle de vannage (au niveau des entretoises visibles sur la coupe ci-dessous). L'eau est ainsi turbinée et évacuée au niveau de l'axe de la turbine, en contre-bas, dans l'aspirateur.

                Figure 1. Schémas turbine Francis. Source : [2]

L'arbre vertical d'une turbine Francis est porté et guidé par le palier principal, solidaire de la cloche. Celui-ci est associé à un second palier assurant le guidage de l'extrémité supérieure de l'arbre, au voisinage du pignon de renvoi. Il est primordial de s'assurer de la bonne lubrification de ces paliers. Un manque d'huile pourrait entraîner l'échauffement puis la destruction des garnitures des paliers qui permettent la rotation de l'arbre sans jeu ni friction excessif.

Calcul de puissance

1. Puissance disponible

Cette puissance est la puissance disponible par le cours d'eau. Pour la déterminer, il est tout d'abord nécessaire de connaitre le débit maximal turbinable et la hauteur de chute.

La visite de terrain nous a permis d'avoir une première estimation de ce débit à l'aide de la méthode du flotteur. Cette méthode consiste à mesurer le temps parcouru par une balle en plastique à travers un volume défini. Il est nécessaire de placer le flotteur en amont de la première mesure afin que celui-ci est atteint la vitesse du cours d'eau. 

Le mesure du débit maximal turbinable est effectuée au niveau de la prise d'eau, avant la grille, lorsque la turbine est en fonctionnement :


Figure 1. Méthode du flotteur

La méthode du flotteur nous permet d'obtenir un débit Q égal à 0,76 m3/s.

Suite à la visite de terrain, des précisions sur les caractéristiques de la turbine ont été apportées  (documents de référence de la turbine installée) :

  • débit maximal de la turbine égal à 0,68 m3/s ;
  • hauteur de chute égale à 1,6 m.

Notre mesure de terrain de débit est donc relativement proche de la valeur donnée dans les caractéristiques de la machine. La valeur de débit de référence a été ensuite conservée dans nos calculs. 

L'étude hydrologique de la Vouzance permet de déterminer la courbe des débits turbinables classés. Cette courbe donne les puissances disponibles par la relation :

Pdisponible = ρ * g * Q * H

avec :

  • ρ, la masse volumique de l'eau, égale à 1 kg/l ;
  • g, le champ de pesanteur, égal à 9,81 m2/s ;
  • H, la hauteur de chute, égale à 1,6 m.

​​On a également :

Pdisponible max = ρ * g * Qmax * H = 10,7 kW

La courbe des débits turbinables classés et des puissances disponibles classées est donnée ci-dessous :


Figure 2. Évolution des puissances et débits classés

 

2. Puissance installée

La puissance installée est la puissance en sortie de turbine. Elle se base sur la puissance disponible et prend en compte les caractéristiques de la turbine. Sa définition est donnée ci-dessous:

Pinstallée ​= η​turbine * Pdisponible

Les documents de référence de la turbine installée précisent que le rendement maximal est égal à 80%. Ainsi,

Pinstallée max = 0,8 * Pdisponible max = 8,5 kW

Le "Guide pour la réhabilitation des moulins hydrauliques en vue de la production d'électricité" précise la courbe de rendement théorique d'une turbine Francis ancienne en chambre d'eau. A partir de cette courbe, 8 plages de rendements ont été définies afin d'approximer et de déterminer le rendement pour chaque débit mesuré.

Avec Qrel = Qmesuré / Qmax

Ci dessous, la courbe de rendement :


Figure 3. Courbe de rendement de la turbine

 

Les rendements ainsi déterminés permettent de définir la courbe des puissances installées classées présentée ci-dessous :

Figure 4. Évolution de la puissance installée