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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des hydrocarbures, sciences de la terre

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des hydrocarbures, sciences de la terre et des énergies renouvelables Département de Production 3ème année production professionnelle Groupe Module : Pompe et compresseur Les turbines FRANCIS SOUS LA SUPERVISION DU : Mr OUAZAZI Année universitaire : 2018/2019 1 Turbine FRANCIS Table de matières 1. Introduction ........................................................................................................................... 2 2. Définition générale ................................................................................................................. 2 3. Éléments de construction ...................................................................................................... 3 1. Une bâche spirale : ............................................................................................................... 3 2. Le distributeur :…………………………………………………………………………….3 3. Une roue à admission radiale centripète : ............................................................................ 3 4. Le diffuseur : ........................................................................................................................ 3 4. Principe de fonctionnement .................................................................................................. 4 5. Phénomène de cavitation ...................................................................................................... 4 6. Avantages et désavantages de la turbine FRANCIS .......................................................... 5 1. Avantage : ............................................................................................................................ 5 2. Désavantage : ....................................................................................................................... 5 7. Applications ............................................................................................................................ 5 8. Conclusion .............................................................................................................................. 6 Bibliographie .................................................................................... Error! Bookmark not defined. 2 Turbine FRANCIS 1. Introduction La recherche de solutions techniquement sures et économiquement viables pour l’exploitation des sites hydrauliques a imposé au fil des ans un petit nombre de types de turbines. Chacun de ces types a un domaine d’application privilégié. Sans parler de la mini-hydraulique dont les critères de choix reposent sur d’autres bases, on distingue trois familles de turbines pour la production hydro-électrique industrielle : La turbine Pelton qui s’impose généralement pour les énergies massiques élevée ; La turbine Kaplan et ses variantes (turbines hélices et bulbes) qui offrent souvent la meilleure solution pour les énergies hydrauliques massiques basses. Et entre ces deux limites, on trouve le domaine d’application privilégié de la turbine FRANCIS. Dans des applications spéciales, on voit même ces turbines concurrencer les autres types. 2. Définition générale Les turbines FRANCIS sont des machines compactes, robustes et particulièrement adaptées aux moyennes chutes. Elles sont adaptées pour des hauteurs de chute relativement faibles, entre 20 et 350 mètres, pour des puissances et des débits moyens allant de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts avec des débits pouvant atteindre 30000 litres à la seconde. Les turbines FRANCIS ont été proposées par le Français Jean-Victor Poncelet à la fin des années 1820. En 1826, l'inventeur et industriel français, Benoît Fourneyron améliora le système en augmentant le rendement (80 %), par la modification de la circulation de l'eau, en le dirigeant radialement à travers la roue. Figure 1: Turbine FRANCIS 3 Turbine FRANCIS 3. Éléments de construction La turbine FRANCIS, dans sa forme moderne, est composée des éléments suivants : 1. Une bâche spirale : qui reçoit l’eau sous pression de la conduite forcée et la distribue vers l’intérieur de l’anneau qu’elle forme. Sa tenue mécanique est assurée par un cercle d’entretoises profilées. 2. Le distributeur : est placé au milieu de l’anneau de la bâche spirale. Ses vingt à trente aubes orientables, placées dans le prolongement des entretoises, permettent d’ajuster le débit-volume turbiné. 3. Une roue à admission radiale centripète : c’est le cœur de toute turbine. Ce sont les centres où le fluide heurte et où la force tangentielle de l'impact provoque la rotation de l'arbre de la turbine, produisant un couple. La conception des angles de pale à l'entrée et à la sortie doit faire l'objet d'une attention particulière, car ce sont des paramètres majeurs affectant la production d'énergie. 4. Le diffuseur : reçoit l’eau à la sortie de la roue et le conduit à la sortie de la turbine. Comme son nom l’indique, il permet d’abaisser la pression en sortie de roue, sous l’effet du d´ennoyage éventuel de la machine et grâce à une augmentation progressive de sa section de passage. Figure 2: Vue schématique d'une turbine FRANCIS 4 Turbine FRANCIS 4. Principe de fonctionnement Les turbines Francis sont des machines dites à réaction, pouvant développer des puissances très importantes. Leur rendement peut dépasser les 80 %. On les appelle turbines à réaction lorsque la pression à l'entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie de la roue. Deux principes sont à la base de son fonctionnement : le premier est la création d'un tourbillon au moyen de la bâche spirale et distributeur, le deuxième est la récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les aubages d'une roue en rotation qui dévient les filets d'eau pour leur donner une direction parallèle à l'axe de rotation. L'écoulement de l'eau provoque sur le profil de l'aube une force hydrodynamique qui induit un couple sur l'arbre de la turbine : lorsqu'une aube se déplace dans l'eau, il se produit sur une des faces (intrados) une zone de surpression et sur l'autre (extrados) une zone de dépression. Cette différence de pression produit le mouvement de rotation de la roue. L'arbre de la turbine est couplé au générateur qui réalise la transformation en énergie électrique. L'eau sort de la roue avec une énergie cinétique résiduelle, le diffuseur transforme l'énergie cinétique en énergie de pression, et conduit l'eau jusqu'au réservoir en aval. 5. Phénomène de cavitation La cavitation est la formation de cavités dans le liquide sous une chute de pression locale suivie d'une implosion. Une chute de pression peut résulter d'une augmentation locale de la vitesse ou du passage d'ondes acoustiques intenses. La cavitation est d'abord remplie d'un vide, puis remplie de vapeur du liquide environnant. Lorsque le vide créé par la cavitation a diminué, la bulle s’effondre pour former une onde de choc ayant un effet destructeur sur le matériau environnant. La cavitation se produit, par exemple, sur les aubes de nacelle, les turbines, les pompes et autres dispositifs se déplaçant à grande vitesse dans un liquide. La cavitation provoque des bruits, réduit l'efficacité de la machine et peut provoquer des dommages mécaniques. La cavitation est Figure 3: Coupe d'une turbine FRANCIS : circulation du fluide 5 Turbine FRANCIS principalement due à la taille du vide, à la consistance du fluide et à la température (plus la cavitation est basse) 6. Avantages et désavantages de la turbine FRANCIS 1. Avantage :  Les turbines Francis fonctionnent mieux pour les têtes de gamme moyenne à haute ;  Tête de fonctionnement facile à contrôler ;  Plus petite, économique et plus résistant à l'usure que la roue Pelton ; 2. Désavantage :  Difficile à maintenir et à nettoyer ;  Une eau sale peut provoquer une usure rapide des turbines Francis comme la cavitation quelle est toujours une possibilité ; 7. Applications Les turbines FRANCIS peuvent être conçues pour une large gamme de têtes et d’écoulements. Ceci, avec leur rendement élevé, en a fait la turbine la plus utilisée au monde. Les unités de type Francis couvrent une plage de têtes allant de 40 à 600 m (130 à 2000 pieds) et la puissance de sortie de leur générateur connecté varie de quelques kilowatts à 800 MW. Les grandes turbines FRANCIS sont conçues individuellement pour chaque site afin de fonctionner avec la source Figure 4: Turbine Francis aux aubes érodées par la cavitation 6 Turbine FRANCIS Figure 5: la production électrique par la turbine FRANCIS d'alimentation en eau et le débit d'eau donnés avec le rendement le plus élevé possible, généralement supérieur à 90%. En plus de la production électrique, ils peuvent également être utilisés pour le stockage par pompage, dans lequel un réservoir est rempli par la turbine entraînée par le générateur jouant le rôle de gros moteur électrique pendant les périodes de faible demande de puissance, puis inversé et inversé. Utilisé pour générer de l'électricité en période de pointe. Ces réservoirs de stockage à pompe constituent d'importantes sources de stockage d'énergie pour stocker un excès d'énergie électrique sous forme d'eau dans des réservoirs surélevés. C'est l'une des nombreuses méthodes permettant de stocker une capacité électrique excédentaire temporaire en vue d'une utilisation ultérieure. 8. Conclusion L’énergie hydroélectrique est propre car elle nécessite uniquement de l’eau. Les machines qui produisent cette énergie sont les turbines hydrauliques existant depuis longtemps, et dans ce travail on a arrivé à une telle conclusion concernant les turbines FRANCIS qui sont l'une des turbines les plus utilisées de notre époque grâce à leur : - Efficacité extrêmement élevée pour des flux spécifiques, - Large gamme de sorties de puissance. - Recherché lorsqu'il s'agit de charges relativement moyennes et de débits élevés. 7 Turbine FRANCIS Bibliographie − Turbine FRANCIS, Wikipédia L'encyclopédie libre, https://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_Francis − Etude en CFD d'une turbine hydraulique, Ahmed LAOUARI, Mémoire présenté en vue de l'obtention du diplôme de Magister − Francis Turbine & its applications in Engineering (By Engg.Mohammad Asim BUET Khuzdar) − ETUDE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES TURBINES FRANCIS : CONTRÔLE ACTIF DE LEUR STABILITÉ DE FONCTIONNEMENT, Gino BLOMMAERT uploads/Industriel/ turbine-francis 1 .pdf