turbine axiale / diffuseur

[alopex]

Bonsoir à tous,

J'ai du mal à comprendre l'importance du diffuseur dans le cas d'une turbine hydraulique purement axiale type bulbe (voir schéma en pièce jointe). Si j'applique l'équation d'Euler (*) à ce cas de figure, la puissance ne dépend que de la différence des composantes radiales de la vitesses absolue (C1u, C2u). Si je supprime le diffuseur, le terme U1.C1u est nul U1.C2u est négatif d'où une puissance positive (c'est bien une turbine donc...).

L'inconvénient est que l'écoulement en sortie d'hélice est hélicoïdale alors qu'il est rectiligne dans le cas avec diffuseur. Est ce sa raison d'être?

Par ailleurs, le diffuseur augmente la vitesse en réalisant une détente partielle. Faire la totalité de la détente dans la roue n'améliore-t-il pas le rendement?

Merci par avance pour vos explications.


(*) P = ro.Q.(U1.C1u - U2.C2u)
-----

[alopex]

Hello,

Je remonte ma question dans l'espoir d'une réponse de nos éminents spécialistes de l'hydraulique... Quelques précisions cependant sur ma question.
Je m'interroge surtout sur le cas ou les aubes du diffuseur sont fixes et ne servent pas au réglage du point de fonctionnement de la machine. Dans ce cas, j'ai fait une petite simulation simple de la puissance par Euler selon différents angles et je n'obtiens pas une valeur plus importante avec le diffuseur que sans. Du coup, le seul intérêt que je vois est que l'écoulement est axial en sortie d'hélice avec le diffuseur ce qui doit limiter les pertes de charges diverses par rapport à l'écoulement hélicoïdal que j'obtiens sans diffuseur.
Merci d'avance.

[chatelot16]

a la sortie de la turbine axiale il est preferable qu'une helice fixe redresse le flux pour eviter tout mouvement helicoidal

pour que l'eau sorte il faut bien qu'il y ai de la vitesse , donc de l'energie cinetique perdue

grace au diffuseur on augmente la section de passage donc on diminue la vitesse : donc on diminue l'energie perdue !

la pression a l'entré du diffuseur est inferieure a la pression a la sortie du diffuseur donc ca augmente legerement la chute d'eau vue par la turbine

le difuseur transforme en pression l'energie cinetique de l'eau sortant de la turbine a condition qu'il n'y ai que de la translation , si il reste un mouvement helicoidal l'energie cinetique de rotation restera perdue

on oublie souvent la meme chose a l'entrée de la turbine : une entrée d'eau avec des formes bien progressive fait gagner aussi un peu de pression utile

[alopex]

Hello et merci pour ces infos. Cependant, je ne suis pas sur de bien comprendre. Tu dis qu'une "hélice fixe" est placée en sortie de turbine alors qu'en fait elle est placée en amont de la roue mobile d'après le schéma en PJ.
Par ailleurs, la représentation des vitesses C (vitesse de l'eau par rapport au carter de la turbine) semble indiquer que celle-ci augmente après le diffuseur et donc qu'on a transformé de l'énergie potentielle en énergie cinétique et non l'inverse? Ce faisant on réduit par contre la vitesse relative de l'écoulement par rapport à la roue en comparaison de la situation sans diffuseur ce qui a priori est défavorable?

[A voir en vidéo sur Futura]

[chatelot16]

vitesse = debit / section de passage

si on augmente la section de passage on diminue la vitesse !

roue fixe devant ou derriere ca ne change pas grand chose : une helice fixe devant qui donne a l'eau la bonne rotation pour qu'apres passage dans l'helice tournante elle se retrouve sans vitesse de rotation est une bonne solution

sur ta piece jointe on voit bien que la vitesse de sortie oblique par raport a une roue qui tourne donne une vitesse droite donc sans rotation

[alopex]

Hello,
Je sais que Q = S.V mais où vois tu un changement de section d'écoulement? Sinon encore quelques précisions pour la construction
des triangles de vitesse dans le cas de la turbine axiale: ce sont bien la composante axiale de la vitesse "absolue" (pour respecter la conservation du flux de matière), ainsi que la vitesse d'entrainement U qui se conservent, les autres composantes en découlent par simple construction géométrique?
Dans une turbine à REACTION, la détente se fait à la fois dans les aubages fixes et dans la roue par définition. Qu'est ce qui empêche fondamentalement la détente de se faire uniquement dans la roue et donc de s'affranchir du diffuseur fixe?

[chatelot16]

le difuseur est bien un espece de cone beaucoup plus grand a la sortie qu'au niveau de la turbine

il suffit que le diametre de sortie soit 2 fois plus grand a la sortie pour que la vitesse soit 2 fois plus faible donc que la perte d'energie cinetique soit 4 fois plus faible

et encore le diffuseur peut etre en beton quelquonque moins cher que la turbine : il ne faut pas se priver de poursuivre cette baisse de vitesse le plus possible

[chatelot16]

je vois venir une confusion ... qu'est ce que tu appelle diffuseur fixe ? confusion avec distributeur dans ton dessin ?

pour moi le diffuseur c'est le cone de sortie pour baisser la vitesse par augmentation de section

pour moi ton distributeur et ta turbine ce n'est que 2 helice , l'une compensant l'autre ... pour que ca sorte droit

[alopex]

Hello,

Oui évidemment si on parle pas de la même chose, c'est dur de se comprendre!! Je fais mon mea culpa, c'est moi qui ai buggé, mes questions portent sur le DISTRIBUTEUR et non sur le DIFFUSEUR.

Comme je suis mesquin , je fais quand même une petite correction: dans le diffuseur, quand on a Dx2, on a Sx4 donc V/4 et
dH/16 non?

Sinon, en ce qui concerne le DISTRIBUTEUR (aubages fixes en amont de l'hélice), pour vous il ne sert qu'à avoir une vitesse de sortie axiale et éviter l'écoulement hélicoïdal? Ou a-t-il une autre fonction? En regardant de plus près les triangles des vitesses, je trouve que le distributeur permet de limiter la vitesse relative avec l'hélice à puissance constante et donc de réduire les pertes de charge. Est ce correct?

[robur712]

...et donc de réduire les pertes de charge. Est ce correct?

Non, je pense qu'il faut plutôt s'intéresser à l'orientation de la résultante des efforts hydrodynamiques sur les pales qui vont générer le couple.

[alopex]

Hello,
Théoriquement il est possible de construire des triangles de vitesses qui donnent le même couple avec ou sans distributeur. La différence tient d'avantage à l'importance des vitesses et à la nature de l'écoulement en sortie. Comme le distributeur est systématiquement présent sur toutes les turbines axiales, je suppose qu'il doit être important mais j'ai du mal à identifier sur quels paramètres il apporte un avantage tel qu'on le met toujours.
Autre mystère, sur les pompes monocellulaires, il est généralement absent. Pourquoi? Sans doute car sur les petites machines le gain de rendement et donc de frais de fonctionnement ne couvre pas le prix du dispositif.

[chatelot16]

pompe monocellulaire ? tu ne parlerait pas de centrifuge?

pour une pompe centrifuge la roue fait la moitié de la puissance par effet centrifuge et l'autre moitie en donnant de la vitesse : la volute transforme cette vitesse en pression ...

dans les multicellulaire il faut retransformer la vitesse en pression a chaque etage par des truc qu'on appelle difuseur aussi

[alopex]

Hello,
Pour moi une pompe monocellulaire comporte un seul étage (roue et volute) et dans le cas d'espèce je pensais bien à des pompes centrifuges style pompe immergée d'assainissement collectif.

[alopex]

Hello,

Quelque infos qui expliquent mes questions. J'ai monté un banc d'essai avec des partenaires dont vous trouverez ci-joint quelques photos. La pompe est à gauche et la turbine à droite. On utilise une génératrice 8 poles à aimants et un ensemble redresseur onduleur qui nous fait du 50 Hz quel que soit la vitesse de la turbine. On a déja testé plusieurs hélices avec des rendements sur chute brute de l'ordre de 35-40% mais la machine n'a pas de distributeur. On va en fabriquer un et le monter pour voir.

[alopex]

Quelques infos sur la génèse du projet:

http://forums.futura-sciences.com/te...-reaction.html

http://forums.futura-sciences.com/te...conomique.html

[robur712]

Hello,

Quelque infos qui expliquent mes questions. J'ai monté un banc d'essai avec des partenaires dont vous trouverez ci-joint quelques photos. La pompe est à gauche et la turbine à droite. On utilise une génératrice 8 poles à aimants et un ensemble redresseur onduleur qui nous fait du 50 Hz quel que soit la vitesse de la turbine. On a déja testé plusieurs hélices avec des rendements sur chute brute de l'ordre de 35-40% mais la machine n'a pas de distributeur. On va en fabriquer un et le monter pour voir.

Bonsoir alopex,

Peut-on avoir une définition géométrique de la roue de la turbine , ainsi que le débit et la vitesse de rotation souhaitée.

Le rôle du distributeur est d'amener la vitesse relative tangente au squelette du profil des aubes ...

[alopex]

Hello,
Le tube est en DN350, chute 2 m, débit 0.2 m3/s, hélices à moyeu de 100, différents angles au moyeu testés 6, 10 et 25°. On vise sur le modèle une puissance de 2,7 kW.

[robur712]

Hello,
Le tube est en DN350, chute 2 m, débit 0.2 m3/s, hélices à moyeu de 100, différents angles au moyeu testés 6, 10 et 25°. On vise sur le modèle une puissance de 2,7 kW.

Il manque la vitesse de rotation , et le tracé du profil .

[Zozo_MP]

Bonjour Alopex

En regardant vos photos on a l'impression que votre axe et très très nettement surdimensionné.
Qu'est qui justifie un tel diamètre par rapport au diamètre externe des pales ?

Idem pour l'épaisseur des pales.

Robur71, nous dira surement quel est l'intéret d'avoir des angles droits en bout de pale.

Cordialement

[alopex]

Bonjour à tous,
@Robur: les profils sont plats et incurvés de moins de 3° sauf pour celle à 25° qui est incurvée à 10°. Sur le plan radial, on passe du moyeu au bout de pale de respectivement: 6 à 2°, 10 à 4° et 25 à 15°.
On vise une vitesse de rotation de l'ordre de 400 tr/mn qu'on obtient d'ailleurs dans les essais avec une vitesse d'emballement de 800 tr/mn.

@Zozo: qu'appelle tu l'axe? Le diamètre de l'arbre ou du moyeu? En ce qui concerne l'arbre, c'est le diamètre standard sur les pompes qu'on a conservé par simplicité? Idem pour le moyeu. Ce dernier est ailleurs a priori trop petit par rapport au ratio d/D de 0,4 à Ns=900 tr/mn qu'on trouve dans la littérature.

[alopex]

J'ajoute en pièce jointe les résultats avec l'hélice à 10°, la seule à avoir donné des résultats un peu concluants.

En ce qui concerne l'épaisseur des pales, elle m'a également paru trop importante mais le constructeur indique avoir eu des problème de vibrations parasites avec des pales moins épaisses. Je soupçonne aussi que c'est parce que ses clients ont tendance à pomper de la caillasse ce qui avec des pales fines doit faire du dégât.

En ce qui concerne la charge figurant dans le tableau en PJ, ont peut régler sur l'armoire le courant débité en continu. Cette armoire sert normalement à réinjecter dans le réseau l'énergie cinétique de machines à forte inertie style centrifugeuse en phase d'arrêt pour récupérer de l'énergie et agir comme frein.

[robur712]

Hello,
Théoriquement il est possible de construire des triangles de vitesses qui donnent le même couple avec ou sans distributeur. La différence tient d'avantage à l'importance des vitesses et à la nature de l'écoulement en sortie.

Tu as raison , pour un même débit, Le couple ne dépend que de la projection sur la vitesse d'entrainement des vitesses absolues en entrée ( Cu1 ) et en sortie de roue ( Cu2 ), il y a par conséquent une infinité de triangles de vitesses donnant un Delta Cu identique.
Sur une machine axiale il y a donc intérêt à utiliser des profils creux afin d 'obtenir des angles d'entrée et de sortie très différents...Ce qui ne semble pas etre le cas de tes roues...I

le distributeur est systématiquement présent sur toutes les turbines axiales, je suppose qu'il doit être important mais j'ai du mal à identifier sur quels paramètres il apporte un avantage tel qu'on le met toujours.

Je ne trouve rien sur le sujet, mais ne peut-on pas imaginer que le distributeur permet d'injecter dans la roue une vitesse absolue pré-orientée ?

Pour ZOZO MP (que je salue) : les bords marginaux vifs des aubes servent probablement à de réduire le passage entre la roue et le "corps" ( si j'ai bien compris ta question ) .

[alopex]

Hello,
Je me permet de déterrer ce sujet pour lequel on n'est pas allés au bout de la réflexion. Merci d'avance pour votre aide.

[Zozo_MP]

Bonjour Alopex

Si tu veux de l'aide il faut que tu dises ce qui te manque ou ce que tu veux explorer de nouveau.

Sinon quelqu'un va te poser la même question

Cordialement

[alopex]

Hello,
En fait, j'ai du mal à comprendre le rôle et l'importance précis du distributeur. En effet, j'ai montré qu'on pouvait avec ou sans construire
des triangles de vitesse qui donne le même couple par la formule d'Euler. J'ai émis l'hypothèse que le principal intérêt de cet organe est d'éviter un écoulement hélicoïdal en sortie d'hélice. Est ce la seule raison? Comment quantifier les pertes par rapport à un écoulement axial? Merci d'avance pour vos explications... j'aime bien aller au fond
des choses.

[michel dhieux]

Hello,
En fait, j'ai du mal à comprendre le rôle et l'importance précis du distributeur....... j'aime bien aller au fond des choses.

bonjour
j'ai également du mal a comprendre qu'il n'y ai pas de différence entre avec et sans "distributeur".
pour moi les pales fixes sont faite pour diriger le fluide sur les pales mobiles ,mais sur leurs plus grandes surfaces " offerte" ,soit perpendiculairement a chaque face réceptrice de pale .
dans le cas d'un montage sans distributeur/diffuseur ,le fluide vient "taper" sur moins de surface ,cela me semble logique......
les contres pales fixes , existe également dans un réacteur d'avion ,
(étages compresseur) voir fichier, source wikipedia
et même on pourrait penser ,que celle-ci freine l'écoulement de l'air .
elle sont là pour empêcher un retour vers leur venu , et pour une meilleure "prise " par l'étage suivant .elles sont sensiblement avec un angle perpendiculaire aux mobiles.
sur le fichier ,on voit les pales fixes au bas des pales mobiles ,fixés sur le carter externe du moteur.

http://upload.wikimedia.org/wikipedi...jet_engine.jpg

cordialement

ps : ne pas négliger également l'écoulement du fluide dans la turbine ,pour moi la turbine de ton troisième fichier manque de passage pour le fluide , comme si elle acceptait un rendement mais en faisant un peu barrage .

[alopex]

Hello et merci pour cette réponse. Il est vrai qu'on conçoit intuitivement l'écoulement plus "favorable" en présence d'un distributeur mais il n'en reste pas moins que de façon "bêtement calculatoire" on peut théoriquement avoir un triangle de vitesses équivalent et le même rendement avec ou sans. D'ailleurs les pompes centrifuges monocellulaires en sont généralement dépourvues, sans doute par raison d'économie de construction quitte à dégrader un peu le rendement.

Sinon, on est en train de modifier la turbine en lui ajoutant un distributeur et tant qu'à faire on rajoute aussi un diffuseur en sortie. On va tester la modification dans une quinzaine. Je vous tiens informés! Les esprits chagrins diront peut être qu'on aura bientôt
réinventé la turbine Kaplan mais bon...

[michel dhieux]

bonsoir
je voudrais rajouter , que c"est la face inférieure de la pale qui reçoit le jet du fluide sur le maximum de sa surface ,(c'est un moteur) et que c'est la face supérieure de la pale suivante qui va comprimer (dans le cas d'un compresseur réacteur) le fluide .mais dans les deux cas, l'inclinaison des pales fixes ont sensiblement un même angle .
cordialement

[michel dhieux]

D'ailleurs les pompes centrifuges monocellulaires en sont généralement dépourvues, sans doute par raison d'économie de construction quitte à dégrader un peu le rendement.

re bonsoir
elles en sont dépourvues ,parce que elles sont CENTRIFUGES ,rien a voir avec une axiale .
cordialement.

[alopex]

Hello,
@michel: je ne pense pas que ce soit la raison car les pompes multicellulaires (toujours centrifuges style surpresseur ou pompe de forage) ont bien un distributeur à aubes fixes entre chaque étage. Il
existe aussi des pompes monocellulaires qui en ont même si c'est rare.
Au même titre que la volute, ce dispositif contribue à convertir de l'énergie cinétique en pression. @+