Une turbine hydraulique est une machine qui convertit l'énergie potentielle de l'eau en énergie mécanique. En utilisant cette machine pour entraîner un générateur, l'énergie hydraulique peut être convertie en énergie.
Électricité Il s'agit du groupe hydro-générateur.
Les turbines hydrauliques modernes peuvent être divisées en deux catégories selon le principe d'écoulement de l'eau et les caractéristiques structurelles.
Un autre type de turbine qui utilise à la fois l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de l’eau est appelé turbine à impact.
Contre-attaque
L'eau puisée dans le réservoir en amont s'écoule d'abord vers la chambre de dérivation d'eau (volute), puis s'écoule dans le canal incurvé de la pale du rotor à travers l'aube directrice.
Le flux d'eau produit une force de réaction sur les pales, ce qui fait tourner la roue. L'énergie hydraulique est alors convertie en énergie mécanique, et l'eau s'écoulant de la roue est évacuée par le tube d'aspiration.
En aval.
La turbine à impact comprend principalement des écoulements Francis, obliques et axiales. La principale différence réside dans la structure de la roue.
(1) Le rotor Francis est généralement composé de 12 à 20 pales hélicoïdales profilées et de composants principaux tels que la couronne de roue et l'anneau inférieur.
Entrée et sortie axiale, ce type de turbine a une large gamme de hauteurs d'eau applicables, un petit volume et un faible coût, et est largement utilisé dans les hauteurs d'eau élevées.
L'écoulement axial se divise en deux types : à hélice et à rotor. Le premier est doté d'une pale fixe, tandis que le second est doté d'une pale rotative. La turbine à écoulement axial est généralement composée de 3 à 8 pales, d'un corps de roue, d'un cône de drainage et d'autres composants principaux. La capacité de passage de l'eau de ce type de turbine est supérieure à celle de l'écoulement Francis. Pour la turbine à aubes, la pale pouvant changer de position avec la charge, elle offre un rendement élevé en cas de fortes variations de charge. Les performances anti-cavitation et la résistance de la turbine sont inférieures à celles de la turbine à flux mixte, et sa structure est également plus complexe. Elle convient généralement aux faibles et moyennes hauteurs d'eau (10).
(2) La fonction de la chambre de dérivation d'eau est de faire circuler l'eau uniformément dans le mécanisme de guidage de l'eau, de réduire la perte d'énergie du mécanisme de guidage de l'eau et d'améliorer la roue hydraulique.
Efficacité de la machine. Pour les turbines de grande et moyenne taille avec une hauteur d'eau supérieure à 100 m, une volute métallique de section circulaire est souvent utilisée.
(3) Le mécanisme de guidage de l'eau est généralement disposé uniformément autour du patin, avec un certain nombre d'aubes de guidage profilées et leurs mécanismes rotatifs, etc.
La fonction de la composition est de guider le flux d'eau dans le canal de manière uniforme et, en ajustant l'ouverture de l'aube directrice, de modifier le débordement de la turbine en fonction de la
Les exigences de réglage et de changement de charge du générateur peuvent également jouer le rôle d'étanchéité de l'eau lorsque tous sont fermés.
(4) Tuyau d'aspiration : Étant donné qu'une partie de l'énergie restante dans le flux d'eau à la sortie du canal n'est pas utilisée, la fonction du tuyau d'aspiration est de récupérer l'énergie
Une partie de l'énergie est captée et l'eau est évacuée en aval. Les petites turbines utilisent généralement des aspirateurs à cône droit, très efficaces, mais les turbines de grande et moyenne taille sont plus performantes.
Les conduites d'eau ne peuvent pas être creusées très profondément, c'est pourquoi on utilise des tuyaux de tirage coudés.
De plus, il existe des turbines tubulaires, des turbines à flux oblique, des turbines à pompe réversible, etc. dans la turbine à impact.
Turbine à impact :
Ce type de turbine utilise la force d'impact du flux d'eau à grande vitesse pour faire tourner la turbine, et le type à godet est le plus courant.
Les turbines à augets sont généralement utilisées dans les centrales hydroélectriques de haute chute mentionnées ci-dessus. Leurs principaux composants fonctionnels comprennent des aqueducs, des buses et des pulvérisateurs.
L'aiguille, la roue hydraulique, la volute, etc., sont équipées de nombreux godets d'eau solides en forme de cuillère sur le bord extérieur de la roue hydraulique. Le rendement de cette turbine varie en fonction de la charge.
Le changement est minime, mais la capacité de passage de l'eau est limitée par la buse, dont l'ouverture est bien plus petite que l'écoulement axial radial. Afin d'améliorer la capacité de passage de l'eau, il faut augmenter le débit et
Pour améliorer l'efficacité, la turbine à godet d'eau à grande échelle est passée d'un axe horizontal à un axe vertical et est passée d'une buse unique à une buse multiple.
3. Introduction à la structure de la turbine à réaction
La partie enterrée, comprenant la volute, le siège, l'aspirateur, etc., est entièrement enfouie dans la fondation en béton. Elle fait partie des éléments de dérivation et de débordement de l'unité.
Volute
La volute se divise en volute en béton et en volute métallique. Les turbines dont la hauteur de chute est inférieure à 40 mètres utilisent généralement une volute en béton. Pour les turbines dont la hauteur de chute est supérieure à 40 mètres, des volutes métalliques sont généralement utilisées pour des raisons de résistance. La volute métallique présente les avantages suivants : haute résistance, facilité de mise en œuvre, simplicité de construction et raccordement aisé à la conduite forcée de dérivation de la centrale.
Il existe deux types de volutes métalliques, soudées et coulées.
Pour les turbines à impact de grande et moyenne taille, avec une hauteur d'eau d'environ 40 à 200 mètres, on utilise généralement des volutes soudées en tôle d'acier. Pour faciliter le soudage, la volute est souvent divisée en plusieurs sections coniques, chacune étant circulaire, et la section arrière, réduite, est ovale pour le soudage avec le siège. Chaque segment conique est laminé sur une machine à rouler les tôles.
Dans les petites turbines Francis, on utilise souvent des volutes en fonte coulées d'un seul tenant. Pour les turbines de grande puissance et de grande capacité, on utilise généralement une volute en acier moulé, la volute et le siège étant moulés ensemble.
La partie la plus basse de la volute est équipée d'une vanne de vidange permettant d'évacuer l'eau accumulée lors des opérations de maintenance.
Anneau de siège
Le siège est l'élément fondamental de la turbine à impact. Outre la pression de l'eau, il supporte également le poids de l'ensemble et du béton de la section. Il requiert donc une résistance et une rigidité suffisantes. Le mécanisme de base du siège est constitué d'une bague supérieure, d'une bague inférieure et d'une aube directrice fixe. Cette dernière sert de support au siège, de support de la charge axiale et de surface d'écoulement. C'est également une pièce de référence essentielle pour l'assemblage des principaux composants de la turbine et l'une des premières pièces installées. Par conséquent, il doit présenter une résistance et une rigidité suffisantes, tout en offrant de bonnes performances hydrauliques.
La bague de siège est à la fois une pièce porteuse et une pièce traversante, de sorte que la surface traversante a une forme profilée pour garantir une perte hydraulique minimale.
Le siège présente généralement trois formes structurelles : mono-pilier, semi-intégral et intégral. Pour les turbines Francis, on utilise généralement un siège intégral.
Tuyau de tirage et anneau de fondation
L'aspirateur fait partie du conduit d'écoulement de la turbine. Il en existe deux types : droit, conique et courbe. Un aspirateur courbe est généralement utilisé dans les turbines de grande et moyenne taille. L'anneau de fondation, noyé dans le béton, relie le siège de la turbine Francis à la section d'entrée de l'aspirateur. L'anneau inférieur de la roue y tourne.
Structure de guidage de l'eau
Le mécanisme de guidage d'eau de la turbine hydraulique a pour fonction de former et de modifier le volume de circulation de l'eau entrant dans la roue. Un système de commande rotatif à aubes directrices multiples, performant, assure une circulation uniforme de l'eau sur toute la circonférence avec une faible perte d'énergie à différents débits. Il garantit les bonnes caractéristiques hydrauliques de la turbine, ajuste le débit pour modifier le rendement de l'unité, scelle le flux d'eau et arrête la rotation de l'unité en cas d'arrêt normal ou accidentel. Les mécanismes de guidage d'eau de grande et moyenne taille peuvent être classés en cylindriques, coniques (turbines à bulbe et à flux oblique) et radiaux (turbines à pénétration totale) selon la position de l'axe des aubes directrices. Le mécanisme de guidage d'eau se compose principalement d'aubes directrices, de mécanismes de commande d'aubes directrices, de composants annulaires, de chemises d'arbre, de joints et d'autres composants.
Structure du dispositif à aubes directrices.
Les composants annulaires du mécanisme de guidage de l'eau comprennent une bague inférieure, un couvercle supérieur, un couvercle de support, une bague de commande, un support de palier, un support de palier de butée, etc. Ils ont des forces complexes et des exigences de fabrication élevées.
Bague inférieure
La bague inférieure est une pièce annulaire plate fixée au siège, généralement de construction coulée-soudée. En raison des contraintes de transport des grandes unités, elle peut être divisée en deux moitiés ou en une combinaison de plusieurs pétales. Pour les centrales électriques soumises à l'usure par sédiments, des mesures anti-usure sont prises à la surface de l'écoulement. Actuellement, des plaques anti-usure sont principalement installées sur les faces d'extrémité, la plupart en acier inoxydable 0Cr13Ni5Mn. Si la bague inférieure et les faces d'extrémité supérieure et inférieure de l'aube directrice sont étanchéifiées avec du caoutchouc, une rainure d'étanchéité en caoutchouc de type plaque de pression doit être prévue sur la bague inférieure. Notre usine utilise principalement des plateaux d'étanchéité en laiton. L'alésage de l'arbre de l'aube directrice sur la bague inférieure doit être concentrique au couvercle supérieur. Le couvercle supérieur et la bague inférieure sont souvent utilisés pour le même alésage sur les unités de moyenne et petite taille. Les grandes unités sont désormais alésées directement sur une aléseuse CNC dans notre usine.
Boucle de régulation
La bague de commande est une pièce annulaire qui transmet la force du relais et fait tourner l'aube directrice à travers le mécanisme de transmission.
aube directrice
Actuellement, les aubes directrices présentent souvent deux formes de lames standard : symétriques et asymétriques. Les aubes directrices symétriques sont généralement utilisées dans les turbines à flux axial à vitesse spécifique élevée avec un angle d'enroulement de volute incomplet ; les aubes directrices asymétriques sont généralement utilisées dans les turbines à volute à angle d'enroulement complet et fonctionnent avec un flux axial à faible vitesse spécifique et une grande ouverture. Les turbines Francis à vitesse spécifique élevée et moyenne sont également utilisées. Les aubes directrices (cylindriques) sont généralement moulées en une seule pièce, et des structures moulées-soudées sont également utilisées dans les grandes unités.
L'aube directrice est un élément important du mécanisme de guidage de l'eau, jouant un rôle clé dans la formation et la modification du volume d'eau entrant dans la roue. Elle est divisée en deux parties : le corps de l'aube directrice et le diamètre de son axe. Généralement, elle est entièrement moulée, et les unités de grande taille utilisent également le soudage par coulée. Les matériaux utilisés sont généralement le ZG30 et le ZG20MnSi. Afin d'assurer la flexibilité de rotation de l'aube directrice, ses axes supérieur, intermédiaire et inférieur doivent être concentriques, son oscillation radiale ne doit pas dépasser la moitié de la tolérance de diamètre de l'axe central, et l'erreur admissible de la face d'extrémité de l'aube directrice non perpendiculaire à l'axe ne doit pas dépasser 0,15/1000. Le profil de la surface d'écoulement de l'aube directrice influence directement le volume d'eau entrant dans la roue. La tête et la queue de l'aube directrice sont généralement en acier inoxydable pour améliorer la résistance à la cavitation.
Manchon d'aube directrice et dispositif de poussée d'aube directrice
Le manchon d'aube directrice est un composant qui fixe le diamètre de l'arbre central de l'aube directrice. Sa structure dépend du matériau, du joint et de la hauteur du couvercle supérieur. Il se présente généralement sous la forme d'un cylindre intégral, et dans les grandes unités, il est généralement segmenté, ce qui permet un excellent ajustement de l'espace.
Le dispositif de poussée de l'aube directrice empêche celle-ci de remonter sous l'effet de la pression de l'eau. Lorsque l'aube directrice dépasse son poids mort, elle se soulève, heurte le couvercle supérieur et exerce une force sur la bielle. La plaque de poussée est généralement en bronze d'aluminium.
Joint d'aube directrice
L'aube directrice a trois fonctions d'étanchéité : réduire les pertes d'énergie, les fuites d'air lors des opérations de modulation de phase et la cavitation. Les joints d'aube directrice sont divisés en joints d'élévation et joints d'extrémité.
Des joints sont situés au milieu et au bas de l'axe de l'aube directrice. Lorsque l'axe est scellé, la pression de l'eau entre la bague d'étanchéité et l'axe de l'aube directrice est parfaitement maintenue. Des trous de drainage sont donc prévus dans le manchon. Le joint du bas de l'axe sert principalement à empêcher la pénétration de sédiments et l'usure de l'axe.
Il existe de nombreux types de mécanismes de transmission à aubes directrices, dont deux sont couramment utilisés. Le premier est le modèle à tête à fourche, qui offre une bonne résistance aux contraintes et convient aux unités de grande et moyenne taille. Le second est le modèle à poignée à oreille, caractérisé par une structure simple et plus adapté aux unités de petite et moyenne taille.
Le mécanisme de transmission de la poignée d'oreille est principalement composé d'un bras d'aube de guidage, d'une plaque de connexion, d'une demi-clavette fendue, d'une goupille de cisaillement, d'un manchon d'arbre, d'un couvercle d'extrémité, d'une poignée d'oreille, d'une goupille de bielle à manchon rotatif, etc. La force n'est pas bonne, mais la structure est simple, elle est donc plus adaptée aux petites et moyennes unités.
Mécanisme d'entraînement de la fourche
Le mécanisme de transmission de la tête de fourche est principalement composé d'un bras d'aube de guidage, d'une plaque de connexion, d'une tête de fourche, d'une goupille de tête de fourche, d'une vis de connexion, d'un écrou, d'une demi-clé, d'une goupille de cisaillement, d'un manchon d'arbre, d'un couvercle d'extrémité et d'une bague de compensation, etc.
Le bras de l'aube directrice et l'aube directrice sont reliés par une clavette fendue pour transmettre directement le couple de fonctionnement. Un couvercle d'extrémité est installé sur le bras de l'aube directrice, et l'aube directrice y est suspendue par une vis de réglage. Grâce à l'utilisation d'une demi-clavette fendue, l'aube directrice se déplace de haut en bas lors du réglage de l'écartement entre les faces d'extrémité supérieure et inférieure du corps de l'aube directrice, sans affecter la position des autres pièces de transmission.
Dans le mécanisme de transmission à fourche, le bras de guidage et la plaque de liaison sont équipés de goupilles de cisaillement. Si les aubes directrices sont bloquées par des corps étrangers, la force de fonctionnement des pièces de transmission concernées augmentera considérablement. Lorsque la contrainte atteint 1,5 fois, les goupilles de cisaillement seront sectionnées en premier. Protégez les autres pièces de transmission contre tout dommage.
De plus, une bague de compensation peut être installée au niveau de la liaison entre la plaque de liaison ou la bague de commande et la tête de fourche afin de maintenir la vis de liaison horizontale. Les filetages aux deux extrémités de la vis de liaison sont respectivement à gauche et à droite, ce qui permet de régler la longueur de la bielle et l'ouverture de l'aube directrice lors de l'installation.
Partie rotative
La partie rotative se compose principalement d'une roue, d'un arbre principal, d'un palier et d'un dispositif d'étanchéité. La roue est assemblée et soudée par la couronne supérieure, la bague inférieure et les pales. La plupart des arbres principaux de turbine sont moulés. Il existe de nombreux types de paliers de guidage. Selon les conditions d'exploitation de la centrale, on distingue différents types de paliers, tels que la lubrification à l'eau, la lubrification à l'huile fine et la lubrification à l'huile sèche. Généralement, la centrale utilise des paliers cylindriques ou des paliers à huile fine.
Francis coureur
La roue Francis se compose d'une couronne supérieure, de pales et d'une couronne inférieure. La couronne supérieure est généralement équipée d'une bague anti-fuite pour réduire les pertes d'eau par fuite, et d'un dispositif de décharge de pression pour réduire la poussée axiale de l'eau. La couronne inférieure est également équipée d'un dispositif anti-fuite.
Aubes de rotor axiales
La pale d'une turbine à flux axial (principal composant de conversion d'énergie) est composée de deux parties : le corps et le pivot. Coulées séparément, elles sont assemblées avec des pièces mécaniques telles que des vis et des axes après usinage. (Le diamètre de la turbine est généralement supérieur à 5 mètres.) La production est généralement en ZG30 et ZG20MnSi. Le nombre de pales est généralement de 4, 5, 6 et 8.
Corps du coureur
Le corps du rotor est équipé de toutes les pales et du mécanisme de commande. Sa partie supérieure est reliée à l'arbre principal et sa partie inférieure au cône de drainage, de forme complexe. Le corps du rotor est généralement fabriqué en ZG30 et ZG20MnSi. Sa forme est généralement sphérique afin de réduire les pertes de volume. La structure spécifique du corps du rotor dépend de la position du relais et de la forme du mécanisme de commande. Lors de sa liaison avec l'arbre principal, la vis d'accouplement ne supporte que la force axiale, tandis que le couple est supporté par des goupilles cylindriques réparties radialement sur la surface de joint.
Mécanisme de fonctionnement
Liaison droite avec châssis de travail :
1. Lorsque l'angle de la lame est en position médiane, le bras est horizontal et la bielle est verticale.
2. Le bras rotatif et la lame utilisent des broches cylindriques pour transmettre le couple, et la position radiale est positionnée par l'anneau élastique.
3. La bielle est divisée en bielles intérieure et extérieure, et la force est répartie uniformément.
4. Le cadre de commande est doté d'une poignée à oreille, facilitant le réglage lors de l'assemblage. L'extrémité correspondante de la poignée à oreille et du cadre de commande est limitée par une goupille de butée afin d'éviter tout blocage de la bielle lors de la fixation de la poignée à oreille.
5. Le cadre de fonctionnement adopte une forme en « I ». La plupart de ces modèles sont utilisés dans les unités de petite et moyenne taille comportant 4 à 6 lames.
Mécanisme de liaison droite sans cadre de fonctionnement : 1. Le cadre de fonctionnement est annulé et la bielle et le bras rotatif sont directement entraînés par le piston relais. dans les grandes unités.
Mécanisme de liaison oblique avec cadre de fonctionnement : 1. Lorsque l'angle de rotation de la lame est en position médiane, le bras pivotant et la bielle ont un grand angle d'inclinaison. 2. La course du relais est augmentée et dans le coureur avec plus de lames.
Salle des coureurs
La chambre de circulation est une structure soudée en tôle d'acier, et les pièces centrales sensibles à la cavitation sont en acier inoxydable pour une meilleure résistance à la cavitation. La chambre de circulation présente une rigidité suffisante pour garantir un jeu uniforme entre les pales de la roue et la chambre de circulation lorsque l'unité est en fonctionnement. Notre usine a mis au point un procédé de fabrication complet : A. Usinage sur tour vertical CNC. B. Usinage par profilage. La section conique droite du tube d'aspiration est revêtue de tôles d'acier, formées en usine et assemblées sur site.
Date de publication : 26 septembre 2022
