Hydromécanique de l idée du projet à l exploitation, - en passant par la conception hydraulique de turbines à double réglage -

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1 Hydromécanique de l idée du projet à l exploitation, - en passant par la conception hydraulique de turbines à double réglage - Atelier technologies et services Mhylab 9èmes Rencontres France Hydro Electricité juin Toulouse 1

2 Contenu de l atelier Focus sur: Des sites entre 30 kw et 5 MW Les étapes de l idée à la mise en service la turbine et sa conception R&D hydraulique de Mhylab pour les turbines: Profils hydrauliques basés sur les essais sur modèles Paramètres adaptés aux spécificités de chaque site Développement de turbines à double réglage à bâche spirale: Diagonale / Kaplan 2

3 MHYLAB EN QUELQUES MOTS 3

4 Mhylab: centre de compétences en petite hydro-électricité 5 collaborateurs, diplômés en ingénierie (FR + CH) L usine de Montcherand (VD, CH) où se trouve le stand d essais 4

5 Références ingénierie Mhylab: 100% petite hydraulique Plus de 20 ans d expérience nationale et internationale Projets sur l eau potable, les eaux usées, en rivière, réhabilitations et nouveaux sites Des études de potentiel à la mise en service Synergies stand d essais / ingénierie / terrain 5

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7 PRINCIPALES ETAPES D UN PROJET DE PETITE CENTRALE 7

8 Principales étapes du projet (nouveau site ou réhabilitation) vu depuis l hydromécanique 1. Caractéristiques du site 2. Etudes 3. Appel d offres 4. Réalisation des équipements 5. Réception de la turbine en atelier 6. Mise en service et réception sur site 7. Maintenance de la turbine 8

9 1 ère étape: caractéristiques Niveau d eau amont Niveau d eau aval Dénivellation Caractéristiques des infrastructures (canaux + conduite) Pertes de charge Courbe des débits classés Débit d équipement Calcul de la production électrique 9

10 Etude de variantes: Débit d équipement, Diamètre de conduite forcée Type de turbines Vitesse variable /fixe Calcul de production électrique Calcul du prix de revient Etude d implantation au site Etudes de projet Choix de la variante: production max. à un moindre coût Des prestations d ingénierie pour diminuer le prix de revient 10

11 Cahier des charges appel d offres Spécificités techniques Contrôles qualité à effectuer Rendements minimaux exigés pour la turbine et l alternateur Garanties de fiabilité + production à long terme Documentation à remettre Clauses de paiement Base du contrat pour l exploitant, Base pour la comparaison des offres Finalité: adjudication raisonnée 11

12 CONCEPTION DE LA TURBINE APPROCHE MHYLAB 12

13 Turbines développées par Mhylab 13

14 Essais Pelton: Turbine Pelton à 2 injecteurs sur le stand d essais de Mhylab 14

15 Moyennes Chutes Basses Chutes Simple Réglage (en S) Développements Mhylab basses & moyennes chutes Double Réglage (à bâche spirale) Axiale (de type Kaplan) 4 à 8 pales Diagonale 8 à 12 pales Diagonale 8 à 12 pales 15

16 Phases de développement 1. Conception initiale (issue de la grande hydraulique) 2. Evaluation des performances sur modèle réduit 3. Développements itératifs 4. Caractérisation complète sur stand d essai 5. Génération d outils de dimensionnement 16

17 Concepts de développement Couvrir la gamme effective de débits et de chutes Privilégier des vitesses de rotation standard (750 à 1500 t/min) limiter les coûts et la taille de la turbine Garantir les rendements et l absence d érosion par cavitation fiabilité / production maximale / durée de vie Privilégier les configurations simples: limitation des coûts & maintenance Conception propre à chaque site à partir d outils de dimensionnement issus des essais sur stand (systématisation) 17

18 Colline -type Chiffre d énergie relatif au sommet Ouverture du pointeau / des pales Isorendement relatif 18

19 Colline-type pour les Axiales et Diagonales simple réglage Chiffre de débit Chiffre d énergie (de chute) Point de rendement maximal:,, Q: débit ΔZ: dénivellation H: chute nette H r : perte de charge R e : rayon externe de roue N: vitesse de rotation s, g: constantes 19

20 Colline-type pour les Axiales et Diagonales double réglage (DDR12) 20

21 Diagonale Double Réglage Projet de développement soutenu par le Canton de Vaud Collaborations: EPFL (CH) Numibérica (ES), Phases effectuées: Développement distributeur réglable et bâche spirale Conception hydraulique et mécanique du modèle réduit Validations CFD Essais de rendement, cavitation, emballement Roues 8, 10 et 12 pales Résultats principaux: η max 91.4% Bon comportement en cavitation Bonne flexibilité en débit/chute 21

22 CFD en partenariat Outils numériques compléments R&D des essais sur modèles Pré-optimisation en phase de conception Analyse détaillée du comportement hydraulique Optimisations Limites des outils actuels Validation expérimentale nécessaire sur stand d essais 22

23 Données Débit m 3 /s 1.76 Dénivellation m 78 PDC & pertes cinétiques m 1.2 Chute nette m 76.8 Puissance hydraulique kw Cas concret de Diagonale à double réglage (DDR) et comparaison avec une Francis Caractéristiques turbines DDR12 Francis n s = ν = 0.52 Vitesse de rotation tr/min Vitesse d emballement tr/min Débit d emballement m 3 /s Diamètre de référence mm Hauteur d aspiration maximum m

24 Cas concret de Diagonale à double réglage (DDR) et comparaison avec une Francis 4 à 6 % d augmentation des coûts du projet DDR / Francis Production (GWh/an) Diagonale: 4.9 Francis:

25 Domaine d application DDR12 au point de dimensionnement considéré 25

26 CONCEPTION DE LA TURBINE PROPRE AU SITE 26

27 Bases du dimensionnement Type de turbines en fonction de la chute nette (cavitation): Pelton: à axe vertical: de 1 à 5 injecteurs réglables à axe horizontal: 1 ou 2 injecteurs réglables Axiale et Diagonale à simple réglage: Nombre de pales Ouverture du distributeur Kaplan et Diagonale à double réglage: nombre de pales Vitesse synchrone Evolution des points (, ) sur la colline du modèle réduit en similitude Axiale en S simple réglage 27

28 Livraison Mhylab: conception hydraulique (1) Aubages en 3D, dont: roue monobloc ou augets pour roue à augets rapportés pour les Pelton distributrices et avant-directrice AVDpour les turbines à double réglage Mise en plan du profil hydraulique (ensemble des surfaces mouillées) Garanties de performances (fiabilité à long terme de la turbine) Roue monobloc 28

29 Livraison Mhylab: conception hydraulique (2) Efforts hydrauliques sur les organes de régulation (AVD, directrices, pointeaux, pales de roue, déflecteur) Efforts hydrauliques sur la roue (poussée hydraulique, force du jet) Caractéristiques à l emballement Garanties de cavitation et définition du Hs (hauteur d aspiration) Concept mécanique général pour les Diagonales 29

30 Prix d une conception Mhylab Fonction de la puissance mécanique Prend en compte: le travail direct lié au projet, la participation aux frais de développement, la prise de risque liée à la garantie de (Pelton monojet, profil simplifié) à Entrée de gamme Diagonale ou Kaplan:

31 Outils 3D de conception hydraulique Pelton Axiale Double Réglage Diagonale Double Réglage 31

32 Mise en plan Diagonale double réglage 32

33 Axiale Garanties de rendement Pelton 33

34 MISE EN SERVICE 34

35 Etapes finales respect du cahier des charges Conception mécanique Un seul responsable pour le turbogroupe (turbine + générateur) Suivi de fabrication Réception en atelier Réception sur site: Mesures des rendements (éventuelles pénalités) Contrôle des séquences Mise en service (transfert de propriété) et période probatoire Réception provisoire Période de garantie 35

36 CONCLUSIONS 36

37 Des étapes en amont primordiales Connaissances du site Cahier des charges Garanties de rendement Conception de la turbine Essais de réception sur le long terme: Limiter les dysfonctionnements maximiser la production 37

38 Pour en savoir plus Stand d exposition n 55 38