Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

UNIVERSITE DE BATNA FACULTE DES SCIENCE DE L’ingénieur Département de préventio

UNIVERSITE DE BATNA FACULTE DES SCIENCE DE L’ingénieur Département de prévention et de sécurité industriel Minu projet module- HSI310- - TURBINE- -mahmoud nabil -karkouri lazhar -gattouf toufik Mini projet mdule-HSI310- L’année universitaire 2003-2004 2 Mini projet mdule-HSI310- 1 PRÉSENTATION Turbine, moteur rotatif qui convertit l’énergie d’un courant d’eau, de vapeur ou de gaz en énergie mécanique. Plus généralement, c’est un organe permettant la détente d’un fluide en recueillant son énergie sous forme mécanique. L’élément de base d’une turbine est une roue ou un rotor à ailettes, à hélice, à lames, à aubes ou à augets disposés sur sa circonférence, de façon que le fluide en mouvement exerce une force tangentielle qui fait tourner la roue et lui confère de l’énergie. Cette énergie mécanique est ensuite transmise par un arbre qui fait tourner un moteur, un compresseur, un générateur ou une hélice. On distingue les turbines hydrauliques, ou à eau, les turbines à vapeur et les turbines à gaz. Dans le langage courant, le terme turbine désigne une installation de production d’énergie, la turbine étant parfois constituée de plusieurs étages. Aujourd’hui, les générateurs à turbine produisent la plus grande partie de l’énergie électrique dans le monde. Les premières turbines connues sont des éoliennes, utilisées en Mésopotamie, en 2000 av. J.-C., pour irriguer les c ultures. 2 TURBINES HYDRAULIQUES 2. 1 Historique 2.1. 1 Roue hydraulique La forme la plus ancienne et la plus simple de turbine hydraulique est la roue hydraulique, utilisée pour la première fois dans la Grèce antique et adoptée ensuite pour moudre le grain dans la majeure partie de l’Europe ancienne et médiévale. Elle était constituée d’un arbre vertical muni d’aubes ou de pales radiales, placées dans un petit ruisseau ou dans un bief de moulin. Sa puissance utile était d’environ 370 W (ou 0,5 ch). La roue hydraulique horizontale, c’est-à-dire un arbre horizontal connecté à une roue à aubes verticale, décrite pour la première fois par l’architecte et ingénieur romain Vitruve au Ier siècle av. J.-C., avait la partie inférieure plongée dans le courant, entraînant ainsi l’ensemble avec un rendement meilleur que dans le cas d’un arbre vertical. 3 Mini projet mdule-HSI310- Vers le IIe siècle apr. J.-C., la roue actionnée par sa partie supérieure, plus efficace, fit son apparition dans les régions montagneuses. Une chute d’eau se déversait sur les aubes, fournissant une énergie supplémentaire à celle du courant. La puissance maximale de la roue hydraulique en bois passa de 2 000 W (3 ch) à environ 37 000 W (50 ch) au cours du Moyen Âge. 2.1. 2 Apparition de la turbine Le passage de la roue hydraulique à la turbine correspond à la rationalisation et à l’étude technique de celle-ci. Ces études s’appuient essentiellement sur les lois de la thermodynamique, et en particulier sur les travaux de Daniel Bernoulli et de Leonhard Euler, au XVIIIe siècle. La première tentative importante visant à formuler une théorie pour la conception d’une roue hydraulique date du XVIIIe siècle : l’ingénieur civil britannique John Smeaton démontra que la roue entraînée par sa partie supérieure était plus efficace. L’ingénieur militaire français Jean Victor Poncelet dessina toutefois une roue actionnée par sa partie inférieure, dont les pales incurvées augmentaient le rendement de près de 70 p. 100. Cette roue connut rapidement un grand succès. Un autre ingénieur militaire français, Claude Burdin, inventa le terme turbine dans le cadre d’un projet théorique dans lequel il mettait l’accent sur la vitesse de rotation. Benoît Fourneyron, qui étudia sous la direction de Burdin à l’École des mines de Saint-Étienne, conçut et construisit des roues atteignant des vitesses de 60 tr/min et fournissant aux sidérurgistes français une puissance maximale de 40 kW. Par la suite, Fourneyron construisit des turbines à 2 300 tr/min, développant 44 kW, avec un rendement supérieur à 80 p. 100. En dépit de sa remarquable efficacité, la turbine de Fourneyron présentait certains inconvénients. Par exemple, lorsque le flux d’eau était réduit ou lorsque la charge était supprimée, l’efficacité de la turbine était beaucoup plus faible. 2.1. 3 Turbine Francis L’ingénieur américain James Bicheno Francis conçut une turbine à axe vertical, dans laquelle le flux était centripète (écoulement radial). Il s’agit de la turbine à réaction, ou turbine Francis. L’eau pénètre à la périphérie de la turbine et est évacuée le long de son axe. Ce type de turbine fonctionne par augmentation de la pression de l’eau s’écoulant à travers les lames, engendrant une force de réaction qui entraîne la roue : les énergies cinétique et potentielle sont converties en énergie mécanique. La pression de l’eau à la sortie de la roue est abaissée par un système appelé aspirateur, ce qui revient à augmenter virtuellement la hauteur de la colonne d’eau. La turbine à réaction devint la turbine hydraulique la plus largement utilisée pour les pressions ou les hauteurs de chute équivalant à une colonne d’eau de 15 à 500 m. 4 Mini projet mdule-HSI310- 2.1. 4 Turbine Pelton Pour les chutes supérieures à 200 m, on utilisa, pendant la seconde moitié du XIXe siècle, la turbine Pelton du nom de l’ingénieur américain Lester Allen Pelton. Dans cette turbine à axe vertical, l’eau est amenée depuis un réservoir supérieur par un long tuyau, appelé conduite forcée, jusqu’à une tuyère, où son énergie potentielle est convertie en énergie cinétique. Le jet obtenu est alors dirigé perpendiculairement à l’axe de la turbine, à l’aide d’un injecteur, sur des augets incurvés (en général une vingtaine). Le jet incident « rebondit » contre les augets qui entraînent en rotation la roue sur laquelle ils sont fixés. On produit ainsi de l’énergie mécanique à partir de l’énergie cinétique du jet incident. L’action de la roue de Pelton dépendant surtout de l’action du jet sur la roue, ce type de turbine est également appelé turbine à action. 2.1. 5 Turbopropulseur 5 Mini projet mdule-HSI310- Au début du XXe siècle, la demande croissante en électricité d’origine hydroélectrique rendit nécessaire le développement d’une turbine pouvant être adaptée à de faibles hauteurs de chute d’eau, de 3 à 9 m, et utilisable sur de nombreuses rivières où de petites retenues pouvaient être construites. En 1913, l’ingénieur autrichien Viktor Kaplan proposa pour la première fois son turbopropulseur, qui fonctionne comme une hélice de bateau inversée. Il améliora par la suite cette turbine à écoulement axial, en permettant aux pales de tourner autour de leur axe, utilisant au maximum l’effet de réaction. Ces hélices à pas variable accrurent l’efficacité du système, en combinant de manière optimale l’angle entre les pales et la chute d’eau, ainsi que la vitesse d’écoulement. 2. 2 Fonctionnement des turbines hydrauliques 2.2. 1 Principe La turbine hydraulique transforme en énergie mécanique l’énergie potentielle ou cinétique contenue dans l’eau d’un lac, d’une rivière, d’une chute d’eau, ou d’une quelconque dénivellation. Dans une installation employant une turbine hydraulique, on trouve toujours une bâche d’alimentation, qui permet à l’eau de s’écouler jusqu’à l’entrée de la turbine. C’est un distributeur muni d’aubes, qui dirigent convenablement le jet d’eau pour qu’il arrive sur la roue mobile avec le minimum de perte. La roue de la turbine, équipée d’ailettes ou d’augets, est mise en rotation par la force centrifuge de l’eau sous pression. 2.2. 2 Alimentation Pour maintenir constante la fréquence du courant électrique produit par une installation hydroélectrique, la vitesse de la turbine doit être fixe, quelles que soient les variations de la pression de l’eau. Ainsi, pour produire du courant à 50 Hz, la vitesse de rotation de la turbine doit être de 3 000 tr/min. Cela nécessite des commandes pour ouvrir ou fermer les passages de l’aube directrice, afin de réguler le débit et, dans le cas de la turbine de Kaplan, pour faire varier le pas de l’hélice. Dans une turbine utilisant une roue de Pelton, on règle le débit d’eau en ouvrant ou en fermant les tuyères d’alimentation. Dans ce cas, il faut une tuyère de dérivation de trop-plein, sinon, les brusques modifications de débit dans des conduites forcées de grande longueur entraîneraient de brutales différences de pression, appelées béliers hydrauliques, qui seraient très destructrices. En cours de réglage, le débit total de l’eau passant à travers les tuyères d’alimentation et de trop-plein doit être maintenu pratiquement constant, avec fermeture éventuelle de la tuyère de dérivation, la fermeture devant se faire très lentement pour éviter tout coup de bélier. 2.2. 3 Puissance et rendement Les turbines hydrauliques sont surtout employées pour produire de l’électricité. Dans les installations à turbine hydraulique modernes, on a privilégié l’accroissement des hauteurs de chutes d’eau et l’augmentation de la taille des unités pour accroître la puissance fournie par les turbines. Les turbines Kaplan sont maintenant utilisées avec des hauteurs de chutes de près de 60 m, et les turbines de Francis, avec des hauteurs pouvant aller jusqu’à 610 m. La plus 6 Mini projet mdule-HSI310- haute chute d’eau (environ 1 770 m) utilisant une roue de Pelton se trouve à Reisseck, en Autriche. L’un des plus importants systèmes de turbines est installé dans une centrale, à Itaipú, au Brésil : dix-huit turbines de type uploads/Ingenierie_Lourd/ minu-projet-module-hsi310-turbine.pdf