Juillet 2006

TECHNOLOGIE
Une simulation typique: une turbine Pelton 6 jets à axe vertical
TECHNOLOGIE MODERNE
DANS LA SIMULATION
NUMERIQUE DE
L’ECOULEMENT DANS LES
TURBINES PELTON
Dans la perspective de la CFD,
l’écoulement dans les turbines
Pelton est actuellement analysé de
manière de plus en plus détaillée,
comme ceci a été le cas dans le
domaine des turbines Francis,
Kaplan et des turbines Bulbe. Nous
avons grandement consolidé nos
connaissances dans le domaine de
la compréhension de la physique
des écoulements et des origines
des pertes, ce qui nous a permis de
réaliser des percées technologiques
au cours des dernières années.
Jet d’eau dans un auget de Pelton
Il est évident que l’écoulement et les
pertes hydrauliques sont très difficiles
à observer et à quantifier. Ceci est dû
au processus très complexe d’écoulements
observé dans les turbines
Pelton, qui comprend les pertes de
pression, les écoulements secondaires,
les jets, les nappes, les surfaces
libres, la formation de gouttelettes,
les pertes par ventilation, l’instabilité
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et les interactions complexes entre
les composants.
Considérant l’état actuel de la technologie
lors de nouvelles conceptions
et de rénovations, le potentiel pour de
futures améliorations dans la technologie
des turbines Pelton est très
haut, grâce à une meilleure compréhension
des caractéristiques d’écoulement
et des mécanismes des pertes.
Dans tous les cas, pour atteindre
un rendement maximum, il est de la
première importance de prendre en
considération les interactions entre
tous les composants de la turbine,
pour les nouveaux projets et pour les
projets de rénovation ou d’augmentation
de rendement, même si la roue a
un haut rendement.
Par exemple, dans les études de
rénovation, le système de répartiteur
peut être mal optimisé, diminuant
ainsi la qualité de l’injection. Comme
expérimenté dans la centrale de
Mantaro, la conception du bâti peut
être responsable de la mauvaise évacuation
des nappes d’eau, provoquant
des perturbations à l’entrée
des injecteurs et sur la charge des
augets.
Une étape clé pour les installations
existantes est l’adaptation de la
conception de roue à l’environnement;
Structures de débit secondaire interne dans l’injecteur
n° 1, provoquant un jet non cylindrique
Evacuation des nappes d’eau de la roue
c’est aussi le cas pour l’optimisation
lors de la conception de roue pour de
nouvelles installations.
De telles analyses sont déjà
employées quotidiennement pour les
turbines hydrauliques axiales et radiales,
pour lesquelles des améliorations
de rendement ont été obtenues grâce
à l’utilisation intensive de la CFD
dans le processus de conception. Les
récents développements en modélisation
numérique appliqués aux turbines
Pelton offrent des possibilités
identiques et contribuent avec succès
à la conception et à l’analyse des
composants de turbines Pelton.
La simulation CFD d’une turbine
Pelton nécessite un modèle turbulent
3D en milieu confiné dans le répartiteur
et un écoulement à surface libre
dans les injecteurs, les augets et le
bâti. La complexité de la simulation
vient de la gamme étendue de longueurs
caractéristiques intervenant
dans le répartiteur ou les gouttelettes
par exemple. Quand on y ajoute la
roue, la géométrie de l’écoulement
devient instationnaire et requiert alors
un modèle rotor-stator dynamique
pour prévoir correctement les caractéristiques
d’écoulement.