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 de l'eau peut être convertie en électricité.
Électricité. Voici le groupe hydroélectrique.
Les turbines hydrauliques modernes peuvent être divisées en deux catégories selon le principe de fonctionnement de l'écoulement de l'eau et leurs 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 prélevée dans le réservoir en amont s'écoule d'abord vers la chambre de dérivation d'eau (volute), puis dans le canal incurvé de la pale de la roue à aubes à travers l'aube directrice.
Le courant d'eau exerce une force de réaction sur les pales, ce qui entraîne la rotation de la turbine. L'énergie de l'eau est alors convertie en énergie mécanique, et l'eau sortant de la roue est évacuée par le tube d'aspiration.
En aval.
Les turbines à impact comprennent principalement les turbines à écoulement Francis, à écoulement oblique et à écoulement axial. La principale différence réside dans la structure de la roue.
(1) Le patin Francis est généralement composé de 12 à 20 pales torsadées profilées et de composants principaux tels que la couronne de la roue et l'anneau inférieur.
Avec un flux d'entrée et un flux de sortie axial, ce type de turbine présente une large gamme de hauteurs de chute applicables, un faible volume et un faible coût, et est largement utilisé dans les hautes hauteurs de chute.
Les turbines axiales se divisent en deux catégories : à hélice et rotatives. Les premières possèdent une hélice fixe, tandis que les secondes ont une hélice rotative. La roue d'une turbine axiale est généralement composée de 3 à 8 pales, d'un corps de roue, d'un cône de vidange et d'autres composants principaux. Le débit de ce type de turbine est supérieur à celui d'une turbine Francis. Concernant la turbine à aubes, grâce à la possibilité de modifier la position de l'hélice en fonction de la charge, son rendement est élevé pour les fortes variations de charge. Cependant, sa résistance à la cavitation et sa robustesse sont inférieures à celles d'une turbine à flux mixte, et sa structure est plus complexe. Elle est généralement adaptée aux chutes de courant faibles à moyennes, jusqu'à 10 mètres de hauteur.
(2) La fonction de la chambre de dérivation d'eau est de faire en sorte que l'eau s'écoule 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 à eau.
Rendement de la machine. Pour les turbines de grande et moyenne taille avec une hauteur de chute d'eau supérieure, on utilise souvent une volute métallique à section circulaire.
(3) Le mécanisme de guidage de l'eau est généralement disposé uniformément autour de la roue, avec un certain nombre d'ailettes de guidage profilées et leurs mécanismes de rotation, etc.
La fonction de ce dispositif est de diriger le flux d'eau vers la roue de manière uniforme et, en ajustant l'ouverture de l'aube directrice, de modifier le débit de la turbine en fonction des besoins.
Les exigences de réglage et de modification de la charge du générateur peuvent également jouer le rôle d'étanchéité à l'eau lorsque tous les éléments sont fermés.
(4) Tuyau d'aspiration : Étant donné qu'une partie de l'énergie restante dans le flux d'eau à la sortie de la roue n'est pas utilisée, la fonction du tuyau d'aspiration est de récupérer cette énergie.
Une partie de l'énergie est utilisée pour évacuer l'eau en aval. Les petites turbines utilisent généralement des tubes d'aspiration à cône droit, qui présentent un rendement élevé, contrairement aux turbines de grande et moyenne taille.
Les conduites d'eau ne peuvent pas être creusées très profondément, on utilise donc des tuyaux de tirage coudés.
De plus, la turbine à impact comprend des turbines tubulaires, des turbines à flux oblique, des turbines à pompe réversible, etc.
Turbine à impact :
Ce type de turbine utilise la force d'impact d'un courant d'eau à grande vitesse pour faire tourner la turbine, et le type le plus courant est la turbine à godets.
Les turbines à aubes sont généralement utilisées dans les centrales hydroélectriques à haute chute mentionnées ci-dessus. Leurs principaux éléments fonctionnels comprennent les aqueducs, les buses et les pulvérisateurs.
L'aiguille, la roue à aubes et la volute, etc., sont équipées de nombreux godets d'eau massifs en forme de cuillère sur le pourtour de la roue. Le rendement de cette turbine varie en fonction de la charge.
Le changement est minime, mais le débit d'eau est limité par la buse, bien plus petite que pour un flux axial radial. Afin d'améliorer le débit d'eau, il faut augmenter le débit et
Pour améliorer l'efficacité, la turbine à augets hydrauliques de grande taille est passée d'un axe horizontal à un axe vertical, et d'une buse unique à une buse multiple.
3. Introduction à la structure de la turbine à réaction
La partie enterrée, comprenant la volute, l'anneau de siège, le tube d'aspiration, etc., est entièrement intégrée à la fondation en béton. Elle fait partie du système de dérivation et de trop-plein d'eau de l'unité.
Volute
On distingue deux types de volutes : les volutes en béton et les volutes métalliques. Les turbines dont la hauteur de chute est inférieure à 40 mètres utilisent généralement des volutes en béton. Pour les turbines dont la hauteur de chute est supérieure à 40 mètres, on privilégie les volutes métalliques, plus résistantes. Les volutes métalliques présentent l'avantage d'une grande robustesse, d'une mise en œuvre aisée, d'une construction simple et d'un raccordement facile à la conduite forcée de dérivation de la centrale.
Il existe deux types de volutes métalliques : soudées et moulées.
Pour les turbines à impact de grande et moyenne taille, avec une hauteur de chute d'environ 40 à 200 mètres, on utilise généralement des volutes soudées en tôle d'acier. Afin de faciliter le soudage, la volute est souvent divisée en plusieurs sections coniques circulaires. La section arrière de la volute, plus petite, prend une forme ovale pour permettre le soudage avec la bague de siège. Chaque segment conique est formé par un laminoir.
Dans les petites turbines Francis, on utilise souvent des volutes en fonte moulée d'une seule pièce. Pour les turbines à haute chute et de grande capacité, on utilise généralement une volute en acier moulé, la volute et la bague de siège étant alors moulées en une seule pièce.
La partie inférieure de la volute est équipée d'une vanne de vidange permettant d'évacuer l'eau accumulée lors des opérations de maintenance.
Anneau de siège
L'anneau de siège est l'élément principal de la turbine à impact. Outre la pression de l'eau, il supporte le poids de l'ensemble et celui du béton de la section, ce qui exige une résistance et une rigidité suffisantes. Le mécanisme de base de l'anneau de siège se compose d'un anneau supérieur, d'un anneau inférieur et d'une ailette directrice fixe. Cette dernière sert de support à l'anneau de siège, de bras transmettant la charge axiale et de surface d'écoulement. Elle constitue également un élément de référence essentiel lors de l'assemblage des principaux composants de la turbine et figure parmi les premières pièces installées. Par conséquent, elle 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 de passage, la surface de passage a donc une forme profilée afin de garantir une perte hydraulique minimale.
L'anneau de siège présente généralement trois formes structurelles : à pilier unique, semi-intégrale et monobloc. Pour les turbines Francis, on utilise généralement un anneau de siège monobloc.
Tuyau d'aspiration et anneau de fondation
Le tube d'aspiration fait partie du passage d'écoulement de la turbine et peut être droit, conique ou courbe. Un tube d'aspiration courbe est généralement utilisé dans les turbines de grande et moyenne taille. L'anneau de fondation est l'élément principal qui relie l'anneau de base de la turbine Francis à la section d'entrée du tube d'aspiration ; il est noyé dans le béton. L'anneau inférieur de la roue tourne à l'intérieur de cet anneau.
structure de guidage d'eau
Le rôle du mécanisme de guidage d'eau d'une turbine hydraulique est de créer et de modifier le volume de circulation du flux d'eau entrant dans la roue. La commande par aubes directrices multiples rotatives, performante, assure une entrée uniforme du flux d'eau sur la circonférence de la roue, minimisant ainsi les pertes d'énergie, même à différents débits. Ce mécanisme garantit de bonnes caractéristiques hydrauliques à la turbine, ajuste le débit pour modifier la puissance de l'unité, assure l'étanchéité du flux d'eau et arrête la rotation de l'unité lors des arrêts normaux et accidentels. Les mécanismes de guidage d'eau de grande et moyenne taille se classent en trois catégories selon l'orientation de l'axe des aubes directrices : cylindriques, coniques (turbines à bulbe et à flux oblique) et radiaux (turbines à pénétration complète). Le mécanisme de guidage d'eau est principalement composé d'aubes directrices, de mécanismes de commande d'aubes directrices, de composants annulaires, de manchons d'arbre, de joints d'étanchéité et d'autres composants.
Structure du dispositif à aubes directrices.
Les composants annulaires du mécanisme de guidage d'eau comprennent une bague inférieure, un couvercle supérieur, un couvercle de support, une bague de commande, un support de palier, un support de butée, etc. Ils sont soumis à des forces complexes et exigent une fabrication rigoureuse.
Anneau inférieur
La bague inférieure est une pièce annulaire plate fixée à la bague de siège, généralement de construction moulée et soudée. En raison des contraintes de transport des grandes unités, elle peut être divisée en deux moitiés ou composée de plusieurs pétales. Pour les centrales soumises à l'usure par sédimentation, des mesures anti-usure sont mises en œuvre sur la surface d'écoulement. Actuellement, les plaques anti-usure sont principalement installées sur les faces d'extrémité et sont le plus souvent en acier inoxydable 0Cr13Ni5Mn. Si la bague inférieure et les faces d'extrémité supérieure et inférieure de l'aube directrice sont étanchéifiées par du caoutchouc, une gorge de queue ou une gorge d'étanchéité en caoutchouc de type plaque de pression doit être prévue sur la bague inférieure. Notre usine utilise principalement des plaques d'étanchéité en laiton. L'alésage de l'arbre de l'aube directrice sur la bague inférieure doit être concentrique à celui du couvercle supérieur. Le couvercle supérieur et la bague inférieure sont souvent alésés de la même manière pour les unités de moyenne et petite taille. Les grandes unités sont désormais alésées directement sur une aléseuse CNC dans notre usine.
boucle de contrôle
La bague de commande est une pièce annulaire qui transmet la force du relais et fait tourner l'aube directrice par l'intermédiaire du mécanisme de transmission.
aube directrice
Actuellement, les aubes directrices présentent généralement deux formes standard : symétriques et asymétriques. Les aubes directrices symétriques sont généralement utilisées dans les turbines axiales à vitesse spécifique élevée et à angle d'enroulement de la volute incomplet ; les aubes directrices asymétriques sont généralement utilisées dans les volutes à angle d'enroulement complet et fonctionnent avec des turbines axiales à faible vitesse spécifique et à grande ouverture, ainsi qu'avec des turbines Francis à vitesse spécifique élevée et moyenne. Les aubes directrices (cylindriques) sont généralement moulées d'une seule pièce, mais des structures moulées-soudées sont également utilisées pour les grandes unités.
L'aube directrice est un élément essentiel du mécanisme de guidage d'eau, jouant un rôle clé dans la formation et la modification du volume d'eau circulant dans la roue. Elle se compose de deux parties : le corps et l'axe. Généralement, elle est moulée d'une seule pièce, mais les grandes installations utilisent également le soudage. Les matériaux couramment utilisés sont le ZG30 et le ZG20MnSi. Afin de garantir la rotation fluide de l'aube directrice, ses axes supérieur, central et inférieur doivent être concentriques, son débattement radial ne doit pas excéder la moitié de la tolérance du diamètre de l'axe central, et l'erreur admissible de non-perpendicularité de la face d'extrémité de l'aube par rapport à l'axe ne doit pas dépasser 0,15/1000. Le profil de la surface d'écoulement de l'aube directrice influe directement sur le volume d'eau circulant dans la roue. L'extrémité avant et arrière de l'aube directrice est généralement en acier inoxydable pour améliorer la résistance à la cavitation.
Manchon de guidage et dispositif de poussée de la pale de guidage
Le manchon de la palette directrice est un composant qui fixe le diamètre de l'arbre central sur la palette 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 monobloc, mais sur les grandes unités, il est souvent segmenté, ce qui permet un réglage très précis du jeu.
Le dispositif de butée de l'aube directrice empêche cette dernière de se soulever sous l'effet de la pression de l'eau. Lorsque le poids de l'aube directrice dépasse son propre poids, celle-ci se soulève, heurte le couvercle supérieur et exerce une force sur la bielle. La plaque de butée est généralement en bronze d'aluminium.
Joint d'aube de guidage
La pale directrice remplit trois fonctions d'étanchéité : réduire les pertes d'énergie, limiter les fuites d'air lors de la modulation de phase et limiter la cavitation. Les joints de la pale directrice se divisent en joints d'élévation et joints d'extrémité.
Des joints d'étanchéité sont présents au milieu et à la base de l'arbre de la roue directrice. Lorsque l'arbre est étanche, la pression d'eau entre la bague d'étanchéité et l'arbre de la roue directrice est parfaitement maintenue. C'est pourquoi des orifices de drainage sont prévus dans le manchon. Le joint de la base de l'arbre sert principalement à empêcher la pénétration de sédiments et l'usure de l'arbre.
Il existe de nombreux types de mécanismes de transmission à aubes directrices, dont deux sont couramment utilisés. Le premier, à fourche, offre une bonne résistance aux contraintes et convient aux unités de grande et moyenne taille. Le second, à anse, se caractérise principalement par une structure simple et est plus adapté aux unités de petite et moyenne taille.
Le mécanisme de transmission à poignée d'oreille est principalement composé d'un bras de guidage, d'une plaque de liaison, 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'un axe de bielle de liaison à manchon rotatif, etc. La force n'est pas optimale, mais la structure est simple, ce qui le rend plus adapté 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 de guidage, d'une plaque de liaison, d'une tête de fourche, d'un axe de tête de fourche, d'une vis de liaison, d'un écrou, d'une demi-clavette, d'une goupille de cisaillement, d'un manchon d'arbre, d'un couvercle d'extrémité et d'une bague de compensation, etc.
Le bras et la palette directrice sont reliés par une clavette afin de transmettre directement le couple de fonctionnement. Un couvercle est installé sur le bras et la palette directrice y est suspendue par une vis de réglage. Grâce à la clavette, la palette directrice peut se déplacer verticalement lors du réglage de l'écart entre ses faces supérieure et inférieure, sans que la position des autres pièces de transmission ne soit affectée.
Dans le mécanisme de transmission à fourche, le bras de guidage et la plaque de liaison sont équipés de goupilles de cisaillement. Si les bras de guidage se bloquent à cause de corps étrangers, l'effort nécessaire au fonctionnement des pièces de transmission concernées augmente fortement. Lorsque la contrainte atteint 1,5 fois sa valeur initiale, les goupilles de cisaillement se rompent en premier, protégeant ainsi les autres pièces de transmission.
De plus, au niveau de la jonction entre la plaque de liaison ou la bague de commande et la tête de fourche, une bague de compensation peut être installée pour assurer l'horizontalité de la vis de liaison. Les filetages aux deux extrémités de la vis de liaison sont respectivement à gauche et à droite, permettant ainsi d'ajuster la longueur de la bielle et l'ouverture de l'aube directrice lors de l'installation.
partie rotative
La partie rotative est principalement composée d'une roue, d'un arbre principal, d'un palier et d'un système d'étanchéité. La roue est assemblée et soudée par la couronne supérieure, la bague inférieure et les aubes. La plupart des arbres principaux de turbines sont en fonte. Il existe de nombreux types de paliers de guidage. Selon les conditions de fonctionnement de la centrale, on distingue plusieurs types de paliers, notamment à lubrification à l'eau, à l'huile fine et à l'huile sèche. Généralement, les centrales utilisent le plus souvent des paliers cylindriques ou des paliers à bloc lubrifiés à l'huile fine.
Francis coureur
Le rotor Francis se compose d'une couronne supérieure, de pales et d'une bague inférieure. La couronne supérieure est généralement munie d'une bague anti-fuite pour limiter les pertes d'eau et d'un dispositif de décharge de pression pour réduire la poussée axiale de l'eau. La bague inférieure est également équipée d'un dispositif anti-fuite.
Lames de roulement axial
La roue à aubes d'un rotor axial (composant principal de conversion d'énergie) se compose de deux parties : le corps et le pivot. Moulées séparément, elles sont assemblées par usinage avec des pièces mécaniques telles que vis et axes. (Le diamètre du rotor est généralement supérieur à 5 mètres.) La production se fait généralement en acier ZG30 et ZG20MnSi. Le nombre d'aubes d'un rotor est généralement de 4, 5, 6 ou 8.
Corps de coureur
Le corps de la turbine, équipé de toutes les pales et du mécanisme de commande, est relié à l'arbre principal par sa partie supérieure, et au cône de drainage par sa partie inférieure, de forme complexe. Généralement fabriqué en ZG30 ou ZG20MnSi, il est majoritairement sphérique afin de minimiser les pertes de volume. Sa structure précise dépend de l'emplacement du relais et du mécanisme de commande. Lors de sa liaison avec l'arbre principal, la vis d'accouplement ne supporte que l'effort axial, le couple étant supporté par les goupilles cylindriques réparties radialement le long de la surface de joint.
mécanisme de fonctionnement
Liaison directe avec le châssis de commande :
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 axes 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. Une poignée d'oreille est prévue sur le cadre de commande, facilitant le réglage lors du montage. Un ergot de butée empêche le blocage de la bielle lorsque la poignée d'oreille est fixée, en alignant la face d'extrémité de la poignée d'oreille avec celle du cadre de commande.
5. Le châssis de fonctionnement adopte une forme en « I ». La plupart sont utilisés dans des unités de petite et moyenne taille avec 4 à 6 lames.
Mécanisme à liaison directe sans châssis de commande : 1. Le châssis de commande est supprimé et la bielle et le bras rotatif sont directement entraînés par le piston relais. dans les grandes unités.
Mécanisme à liaison oblique avec bâti de commande : 1. Lorsque l’angle de rotation de la pale est en position médiane, le bras pivotant et la bielle présentent un angle d’inclinaison important. 2. La course du relais est augmentée, notamment pour les turbines comportant davantage de pales.
Salle de course
La chambre de rotation est une structure soudée en tôle d'acier. Les parties centrales, sujettes à la cavitation, sont en acier inoxydable afin d'améliorer la résistance à ce phénomène. La chambre de rotation présente une rigidité suffisante pour garantir un jeu uniforme entre les aubes et la chambre de rotation pendant le fonctionnement de l'unité. Notre usine a mis au point un processus 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, formée en usine, puis assemblée sur site.
Date de publication : 26 septembre 2022
