En tant que source d'énergie renouvelable à réponse rapide, l'hydroélectricité joue généralement un rôle de régulation des pics de consommation et de la fréquence sur le réseau électrique. De ce fait, les centrales hydroélectriques doivent souvent fonctionner dans des conditions s'écartant de leurs conditions nominales. L'analyse d'un grand nombre de données d'essais a mis en évidence que, lorsque la turbine fonctionne dans des conditions non nominales, notamment à charge partielle, de fortes pulsations de pression apparaissent dans le tube d'aspiration. La basse fréquence de ces pulsations affecte la stabilité de fonctionnement de la turbine ainsi que la sécurité de l'installation et des ateliers. Par conséquent, les pulsations de pression dans le tube d'aspiration suscitent un vif intérêt au sein des milieux industriels et académiques.
Depuis que le problème des pulsations de pression dans le tube d'aspiration d'une turbine a été soulevé pour la première fois en 1940, sa cause a fait l'objet de nombreuses études et discussions. Actuellement, il est généralement admis que les pulsations de pression dans le tube d'aspiration, en conditions de charge partielle, sont dues au mouvement de vortex spiralés à l'intérieur de celui-ci. L'existence de ces vortex induit une distribution de pression non uniforme sur la section transversale du tube d'aspiration. La rotation de la bande tourbillonnaire entraîne une rotation du champ de pression asymétrique, provoquant des variations périodiques de la pression et, par conséquent, des pulsations. Le vortex hélicoïdal est généré par l'écoulement tourbillonnaire à l'entrée du tube d'aspiration en conditions de charge partielle (c'est-à-dire la présence d'une composante tangentielle de la vitesse). Le Bureau américain de la mise en valeur des terres (US Bureau of Reclamation) a mené une étude expérimentale sur la rotation dans le tube d'aspiration et a analysé la forme et le comportement du vortex pour différents degrés de rotation. Les résultats montrent que la bande tourbillonnaire spiralée n'apparaît dans le tube d'aspiration que lorsque le degré de rotation atteint un certain seuil. Le vortex hélicoïdal apparaît en conditions de charge partielle. Ainsi, ce n'est que lorsque le débit relatif (Q/Qd, Qd étant le débit nominal) de la turbine se situe entre 0,5 et 0,85 que de fortes pulsations de pression se manifestent dans le tube d'aspiration. La fréquence de la composante principale de ces pulsations, induites par le vortex, est relativement faible, équivalente à 0,2 à 0,4 fois la fréquence de rotation de la roue. Plus le rapport Q/Qd est faible, plus la fréquence des pulsations est élevée. De plus, en cas de cavitation, les bulles d'air générées dans le vortex augmentent sa taille et intensifient les pulsations, modifiant ainsi leur fréquence.
En conditions de charge partielle, les pulsations de pression dans le tube d'aspiration peuvent constituer une menace importante pour le fonctionnement stable et sûr de la centrale hydroélectrique. Afin de les atténuer, de nombreuses idées et méthodes ont été proposées, notamment l'installation d'ailettes sur la paroi du tube d'aspiration et la mise en place d'un système de ventilation. Nishi et al. ont utilisé des méthodes expérimentales et numériques pour étudier l'effet des ailettes sur les pulsations de pression dans le tube d'aspiration, en analysant l'influence du type d'ailettes, de leur nombre et de leur position. Leurs résultats montrent que l'installation d'ailettes permet de réduire significativement l'excentricité du vortex et, par conséquent, les pulsations de pression. Dmitry et al. ont également constaté que l'installation d'ailettes permet de réduire l'amplitude des pulsations de pression de 30 à 40 %. La ventilation du tube d'aspiration par l'orifice central de l'arbre principal est également une méthode efficace pour atténuer ces pulsations. J'ai également essayé de ventiler le tube d'aspiration à travers de petits trous à la surface de l'ailette, et j'ai constaté que cette méthode permet de supprimer les pulsations de pression et que la quantité d'air requise est très faible lorsque l'ailette ne peut pas fonctionner.
Date de publication : 9 août 2022
