contribution a la conception d`une turbine pelton
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1. Ce document est mis gratuitement disposition en ligne sur le site Y internet de www codeart org Il est destin tre diffus et reproduit largement CODEART d veloppe des projets visant 0 D FA RT r soudre des probl mes techniques r currents dans les pays du Sud et en lien direct avec la production et la transformation des asbl AYZAVNZAY productions vivri res par les producteurs locaux eux m mes et les CODEART asbl artisans locaux qui offrent leur service aux paysans 15 Chev mont B 4852 HOMBOURG A i T l 0032 0 87 78 59 59 CODEART compl te son appui technique par l offre de toute Fax 0032 0 87 78 79 17 information susceptible d aider les partenaires dans la ma trise de info codeart org technologies n cessaires au d veloppement du pays Les productions plans et savoir faire d velopp s sont mis la disposition de l ensemble des acteurs du secteur du d veloppement tant au Nord qu au Sud www codeart org Dans les cas justifi s une version papier peut vous tre envoy e sur simple demande info codeart org Si vous avez des questions si vous constatez imperfections ou si vous avez des exp riences similaires partager nous vous remercions de nous contacter CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D UNE TURBINE PELTON Classification Document analyse technique Rapport de stage Fiabilit F2 Analyse syst matique Etude exploitable par un technicien local Nom de l auteur du docu2. solutionner durant le stage Ce probl me r side au niveau du rendement de la turbine et donc de la puissance l arbre la sortie 100 90 80 70 60 50 Efficiency 49 10 re e ES ne 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Speed Ratio x o Thake voir bibliographie pour les r f rences compl tes pour un rapport de vitesse de 0 47 le rendement de la Pelton varie entre 80 et 95 suivant la th orie utilis e pour le calcul et les pertes prises en compte dans le calcul La premi re courbe repr sente ainsi le rendement calcul par une th orie simple en deux dimensions qui ignore les frottements dans l auget et les pertes par turbulence La courbe trois repr sente quant elle la courbe de rendement utilisant la th orie plus compliqu e en trois dimensions Enfin c est la courbe 5 qui se rapproche le plus de la r alit puisque c est elle qui prend le plus de param tres en compte On voit donc que le rendement d une turbine Pelton approche les 80 Notre probl me c est que le rendement tel que nous l avons calcul dans la notice de calcul n est que de 45 alors que nous nous sommes bas s sur la th orie simplifi e bidimensionnelle La d marche que nous avons suivie fut de calculer la force exerc e par le jet sur la turbine l aide des formules dont nous disposions dans le livre Il a tout d abord fallu formuler le d bit et la vitesse du jet puis les remplacer par leurs
3. Pr sent par YANNICK Albert Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA www codeart org APN Table des mati res Remerciements en guise d IMROMI UON nn interna iunnnnreies 5 1 Pr sentation de l entreprise nina lien avananntsiRendiie 6 2 D sciipti n du tr v il r alis rosenn niese tosenn and re o e EE E eE EE E ESen 7 3 Introduction aux turbines P lION nt deniers 8 4 Etude de la force et des contraintes sur un auget Pelton sseeeeseessesrsresrrsresresrrsserrrsreerersesressesres 9 5 R alisation d un injecteur pour une turbine Pelton eesseesesseseesessesrrsresrrsreerrsrrresreseesresresresreses 16 6 R alisation du b ti de la DUPbiNes nn den laine 19 1 ALORI O e EA E EA 21 S Bibliographies scies e e EE dde dou 22 9 ANNEKE Srini iesiti ni i nette ni 22 4 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA www codeart org AVZ AYANYZAY CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D UNE TURBINE PELTON Remerciements en guise d introduction Je voudrais commencer ce rapport de stage en remerciant chacun des membres de Codeart c est dire Denise Marie Claire Magali Emily Christiane Guido Dirk Georges Michel Samuel mon ma tre de stage Jacques ainsi que Roger pour le formidable accueil que j ai re u et cela d s le premier jour La bonne ambiance g n rale et l aspect profond ment humain dans le fonctionnement de l asbl ont fait en sorte que je garderai un excellent
4. ou aiguille dont le d placement permet de r gler le d bit du jet sur le rotor Les turbines Pelton sont caract ris es par ce qu on appelle le diam tre de Pelton ou Pitch Circle Diameter PCD en anglais Il s agit du diam tre du cercle tangent au jet d eau comme le montre la figure la page suivante Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN Les augets qui repr sentent l aspect le plus co teux et le plus pointu de la turbine sont design s de telle sorte qu une ligne au milieu divise le jet en deux parties gales qui sont d vi es d environ 180 Durant ce renversement la plupart de l nergie cin tique de l eau est transform e en force d impact sur le rotor qui le fait tourner A cause de la sym trie du jet il n y a pas de force axiale qui est cr e dans le rotor Certaines turbines peuvent tre munies de ce qu on appelle des d flecteurs Il s agit de m canismes souvent command s manuellement pour les petites turbines qui viennent s ins rer entre l injecteur et les augets afin de d vier tout ou partie du jet en cas de probl me ou d emballement 4 Etude de la force et des contraintes sur un auget Pelton L tude des augets d une turbine Pelton et la bonne connaissance de leurs limites d utilisation est tout fait capitale lors de l tude d un projet En effet comme on peut le voir sur la demande de prix envoy e par la firme suisse ZOBOAG qui figure en ann
5. Camp Perrin et Butembo Plusieurs ing nieurs et techniciens europ ens travaillent d ailleurs pour Codeart dans ces ateliers coles C est le cas notamment de Samuel Treinen ing nieur de Gramme dipl m en 2005 qui vient de partir pour un an en Ha ti L entreprise emploie actuellement une dizaine de personnes en Belgique auxquelles doivent s ajouter de nombreux b n voles prenant en charge notamment la gestion du site Internet les courses et achats le travail l atelier ou encore la gestion du r seau et des probl mes informatiques Il faut souligner que l asbl d veloppe actuellement une cellule Energie et hydraulique C est monsieur Jacques Kyalumba ing nieur dipl m de l institut Gramme qui est en charge de la gestion de cette cellule au sein de Codeart Ce projet est men bien en collaboration avec monsieur Jean Luc Willot constructeur belge de turbines Huy et monsieur Niels Dusch ne ing nieur exploitant plusieurs turbines M ry L objectif pour Codeart est d tre en mesure de proposer une solution compl te qui va de la bride d entr e de la turbine jusqu la sortie du courant lectrique du g n rateur ou jusqu la production d nergie m canique pour les turbines hydrom caniques Codeart peut galement prendre en charge l am nagement du site depuis la prise d eau sur la rivi re jusqu au bassin de mise en charge qui enverra l eau dans la conduite forc e jusqu l entr e de la turbine Contribu
6. admettre que la contrainte d endurance limite repr sente 40 de la contrainte de traction limite contrainte de rupture Ces limites d utilisation peuvent para tre approximatives mais elles rendent en r alit compte de la grande difficult d effectuer une tude th orique pr cise et rigoureuse des contraintes pr sentes dans l auget C est pourquoi on pr f re se m nager des coefficients de s curit relativement cons quents d Courbe d utilisation La courbe d utilisation pr sent e avec la notice de calcul repr sente l ensemble des couples d bit du site hauteur hydraulique brute d utilisation limite d un auget de turbine Pelton particulier Il s agit du mod le type C de marque ZOBOAG r alis en aluminium Pour l ensemble de ces points la contrainte critique dans le mat riau est gale la contrainte maximale admissible qui a t fix e pour l aluminium 25 N mm Cette courbe est aussi pr sent e sous forme d un tableau de valeurs o les r sultats sont donn s en fonction du d bit par incr ment de 0 5 l s Cette courbe ne repr sente donc qu un cas bien particulier J aimerais maintenant parler des probl mes que nous avons rencontr s lors de l laboration de la notice de calcul En effet avant de pouvoir la mettre sur le site Internet de Codeart il reste encore une aberration que nous n avons pas r ussi 12 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN
7. l orifice de l injecteur nous avons choisi un montage pour lequel il serait facile de le remplacer En effet cette partie de l injecteur est la pi ce qui subit le plus les cons quences de l attaque par le jet d eau Elle se corrode et s ab me donc plus vite que le reste de l injecteur C est pourquoi sur notre mod le cet orifice est simplement boulonn sur une bride de fixation soud e au tuyau principal Cette bride est par ailleurs r alis e avec une sur paisseur d un millim tre ce qui nous permet de l usiner apr s soudage pour obtenir une surface de contact parfaitement plane Un joint torique est de plus pr vu pour assurer une bonne tanch it A mon sens l l ment qui reste le plus probl matique dans le design actuel de l injecteur est la d coupe particuli re des deux morceaux de tuyaux pour qu ils se chevauchent convenablement De mon c t je pense que j aurais plut t r alis l ensemble par moulage d une seule pi ce bien qu il faille encore voir si la mati re utilis e s y pr te Cependant apr s avoir observ la structure soud e qui est pour le moment expos e dans la salle des pas perdus de l institut Gramme il semble qu il soit possible de r aliser de pareilles d coupes dans des tuyaux l aide de la d coupe au laser 18 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN J aimerais terminer ce volet par une petite conclusion quant au travail r alis sur l inject
8. valeurs dans l expression de la force Ensuite nous avons exprim que le couple qui s exer ait sur l axe de la turbine tait gal au nombre de jet multipli par la force du jet et multipli par le rayon de Pelton qui correspond au bras de levier Apr s cela nous avons trouv la puissance fournie l arbre de la turbine en disant qu elle tait gale au couple multipli par la vitesse angulaire du rotor Cela nous permettait finalement de trouver le rendement de 13 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA www codeart org APN la Pelton en divisant la puissance obtenue par la puissance l entr e de la turbine gale au d bit du site masse volumique de l eau 9 81 hauteur hydraulique nette Nous avons tant bien que mal essay de trouver o il puisse y avoir une erreur mais sans succ s jusqu pr sent Pour ce faire nous nous sommes galement bas s sur la formule toute faite du rendement donn par Jeremy Thake dans sa th orie simplifi e en deux dimensions En rempla ant dans sa formule par les donn es dont nous disposions nous sommes arriv s un rendement de 0 91 en accord avec le graphique pr sent ici plus haut En simplifiant les deux formules du rendement la n tre et celle de monsieur Thake nous sommes tout de m me arriv s mettre en vidence les diff rences entre elles Malheureusement cela ne nous a pas permis d en d duire o se cachait l erreur dans notre raisonnemen
9. a larges type LL permet d s lors d ajuster l injecteur aussi bien verticalement qu horizontalement et cela de mani re ais e On peut ainsi le d placer de 6 millim tres dans chaque direction Un logement pour un joint torique est par ailleurs pr vu dans la plaque de fixation en vert A mon sens c est le syst me le plus simple que l on puisse trouver Il n est bien s r efficace que si les jeux pr vus au niveau de l axe du rotor son fort restreint En effet dans le cas contraire si la roue se d place de gauche droite entre ses but es la position pr cise de l injecteur ne sert plus rien 20 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TANZANW Avec le recul si je devais mettre une grande critique propos du design de ma turbine en g n ral ce serait au niveau de l encombrement de l injecteur En effet sur l illustration ci dessus vue en coupe de la turbine on voit qu il est impossible d approcher l orifice de l injecteur proximit des augets de la roue En cause la bride de fixation qui est trop volumineuse Je pense qu il serait intelligent d allonger l orifice la pi ce en rouge ce qui permettrait de reculer l ensemble de fixation vis vis de l extr mit du pointeau De toute fa on cet orifice doit quand m me tre redessin selon Roger Loozen car il n est pas assez solide comme je l avais d j signal plus haut Remarquons que sur cette coupe on voit
10. bien le syst me de positionnement de l injecteur sur le b ti ainsi que le logement pour le joint torique 7 Conclusion La premi re chose qui me vient l esprit pour conclure ce travail est le fait que j ai eu l occasion d y perfectionner mon anglais En effet la litt rature technique sur les turbines Pelton qu il m a fallu potasser tait enti rement r dig e dans cette langue Etant donn que je partirai en f vrier terminer mes tudes en Erasmus en Angleterre je consid re ce stage comme un excellent entra nement pour plus tard J ai galement t rassur de voir que j tais capable de comprendre sans grande difficult la majeure partie du texte sans pour autant tre beaucoup plus lent que s il avait t crit en fran ais C est mon sens un des points les plus positifs que je garderai de ces trois semaines Ce stage m aura galement permis d approfondir mon apprentissage du logiciel de dessin par ordinateur Solidworks que nous utilisons l institut Ce fut l l occasion de me frotter des pi ces plus compliqu es que celles que j avais l habitude de designer auparavant et d en apprendre beaucoup sur les possibilit s offertes par le programme J ai aussi pu d couvrir comment mettre en pratique les connaissances notamment hydrauliques que nous avons re ues Gramme Je pense que le r sultat auquel je suis arriv est plus que satisfaisant et il m aura au moins permis d avoir un premier regard sur la vie pro
11. d ensemble de l injecteur r f rence T093 003 103 le pointeau est en porte faux et non pas maintenu par un guide proximit de l orifice comme c est souvent le cas Ce porte faux mesure environ 300 mm plus ou moins suivant le d bit d sir Au d part j avais dessin l injecteur avec son guide dont l illustration figure ci dessous Cependant apr s discussion avec mon ma tre de stage il a t d cid de retirer ce guide pour plusieurs raisons Tout d abord la confection de cette pi ce est relativement compliqu e et aurait donc engendr un surco t dans la production de l injecteur Ensuite apr s calcul nous nous sommes rendu compte que ce guide repr sentait proximit de l orifice de l injecteur un encombrement de la section de passage de l eau quivalant 10 Le guide a d ailleurs t redessin avec une paisseur de 2mm car dans sa premi re r alisation il repr sentait un encombrement de plus de 15 A proximit de la naissance du jet Jacques Kyalumba craignait que ce guide ne soit responsable de turbulences n fastes pour l efficacit de la turbine Enfin la derni re raison qui nous poussa abandonner l id e du guide tait qu un mod le d injecteur semblable avec pointeau en porte faux tait pr sent dans le livre de Markus Eisenring Lorsque nous avons montr Roger Loozen les travaux r alis s durant le stage nous avons pu b n ficier de ces commentaires quant au de
12. de coefficients et de constantes n cessaires au calcul des forces et des contraintes sur les augets de la turbine Si le programme permet que l on change la valeur de ceux ci il est pr f rable de laisser les valeurs par d faut si l on veut arriver des r sultats coh rents S il est vrai que l on pourrait faire l g rement varier certains de ces coefficients comme le rendement de l coulement ou le coefficient d injecteur suivant que la turbine a t construite avec plus o moins de soin d autres ne peuvent en aucun cas changer de valeur comme la gravit ou la masse volumique de l eau Les principaux coefficients relatifs la turbine Pelton sont expliqu s ci dessous z ta repr sente le rendement de l coulement dans l auget II est en fait une image des pertes par frottement lorsque l eau traverse celui ci Id alement s il n y avait aucune perte et que l auget tait parfaitement lisse ce coefficient aurait une valeur de 1 Si la litt rature permet que l on prenne pour ce coefficient une valeur de 0 98 pour un auget d excellente qualit la valeur la plus courante et de 0 85 et repr sente la valeur typique pour une micro turbine Pelton gamma repr sente l angle d ouverture des bords de l auget l endroit m me ou l eau quitte l auget Cet angle est aussi celui qui existe entre la trajectoire du jet lorsqu il frappe l auget et la trajectoire de ce m me jet lorsqu il quitte l auget Le sch ma ci dessou
13. eur Apr s une semaine je suis parvenu cl turer un premier design Je crois qu il aurait t tr s int ressant si j avais continu ce stage par un travail de fin d tudes de b n ficier des critiques d un sp cialiste pour redessiner enti rement un injecteur sur base de l exp rience acquise et des commentaires mis J aurais ainsi probablement pu arriver un travail plus abouti par essais et erreurs En effet il n est pas possible de r aliser une telle pi ce pour qu elle soit sans reproche du premier coup C est d ailleurs ce que m a confirm Samuel Treinen Pour sa turbine Banki il a pass une bonne partie de son temps redessiner trois voire quatre fois les m mes l ments sur base des remarques de Jean Luc Willot De mon c t je n ai pu m arr ter qu la premi re tape du travail Remarque une liste des l ments normalis s n cessaires la r alisation de l injecteur est disponible en annexe 6 R alisation du b ti de la turbine Apr s avoir dessin l injecteur j ai pass les derniers jours de mon stage commencer le b ti proprement parler de la m me turbine Pelton Un tel projet ne peut videmment tre cl tur sur une p riode de trois semaines Les plans pr sent s en annexe sont donc incomplets et inachev s Un exemple il n y a pas encore de paliers pour supporter l axe du rotor et nous n avons pas encore pr vu de syst me de graissage pour les bourrages dans lesquels viennent
14. exe le montant de ces augets repr sente 50 voire plus du montant total de la facture d une telle turbine Il est donc important d effectuer le bon choix si l on ne veut pas gaspiller inutilement son argent ou pire dimensionner une Pelton dont les augets casseront apr s une heure d utilisation cause d un choix inadapt Comme je l ai signal plus haut durant la premi re semaine de mon stage j ai r alis une feuille de calcul sur Excel reprenant diverses formules relatives aux turbines Pelton L objectif de Codeart tait au final d int grer cette notice leur site Internet dans le but 9 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN de la mettre disposition de leurs partenaires Pour cela il fallait en plus de la page Excel y adjoindre une notice explicative un mode d emploi en quelque sorte C est pourquoi le responsable de Codeart m a demand d organiser ce chapitre afin qu il puisse tre compr hensible et exploitable par un non sp cialiste qui voudrait se servir de la notice de calcul Calcul des forces et des contraintes sur un auget de turbine Pelton Notice explicative a L gende des couleurs Jaune Donn e relative au site consid r fixer par l utilisateur Vert Constantes et coefficients Orange R sultats de calcul Bleu turquoise R sultat final du calcul de contraintes b b Signification des coefficients La notice pr sente toute une s rie
15. fessionnelle et le m tier d ing nieur En effet n ayant pas r alis montage social dans le domaine industriel cette occasion aura t une v ritable d couverte pour moi Jusqu il y a peu je dois avouer que je n avais pas l impression apr s trois ann es pass es l institut d tre m me de d barquer dans le monde du travail avec les connaissances techniques et surtout l tat d esprit n cessaire je commence tout doucement gr ce au stage changer d avis Enfin je voudrais terminer en ajoutant que trois semaines c est finalement tr s court et que durant cette p riode on n a pas le temps de faire grand chose Je comprends maintenant pourquoi les entreprises sont parfois voire souvent r ticentes quand il s agit de prendre en charge un tudiant si ce n est pas pour qu il effectue son TFE chez eux A la fin du stage je commen ais seulement me sentir vraiment l aise et efficace Cela m a donn l envie d aller beaucoup plus loin dans le travail qui aurait pu aboutir sur un travail 21 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN de fin d tude si je n avais pas d j pris la d cision de partir en Erasmus Je crois que le passage des tudes d ing nieur industriel en cinq ans aura au moins un norme avantage celui de pouvoir ins rer une p riode de stage en entreprise plus longue durant laquelle il sera possible de r aliser un travail vraiment int ressant et su
16. ffisamment cons quent pour constituer une bonne pr paration au TFE 8 Bibliographie JEREMY THAKE The Micro Hydro Pelton Turbine Manual Design Manufacture and Installation for Small Scale Hydropower ITDG Publishing 2000 MARKUS EISENRING Micro Pelton Turbines MHPG series Harnessing Water Power on a Small Scale volume 9 SKAT Swiss Center for Appropriate Technology 1991 C OURY et F OURY syllabus de Machines Hydrauliques 9 Annexes Annexe 1 Notice de calcul des forces et des contraintes sur un auget Pelton Annexe 2 Limites d utilisation des augets de type C Annexe 3 Plans de la turbine 22 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org AZ TANZANW DEVELOPPEMENT DES TURBINES PELTON Photo de la turbine de Butembo dans laquelle sera mont e la roue 8 Pi ces r sine RENCAST FCS2R POL Photos d augets Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 www codeart org 23 Photos de la roue envoy e 24 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANZA WWW codeart org ANYVZAYANYZAY
17. ir des connaissances techniques Ensuite la deuxi me tape fut d tablir une notice de calcul sur Excel reprenant la majeure partie des formules du livre de Jeremy Thake afin de pouvoir r aliser un calcul de la force sur l auget ainsi que des contraintes qui prennent naissance dans celui ci Nous avons par ailleurs essay d tablir une courbe nous donnant l ensemble des points correspondant aux limites d utilisation d un auget Pelton particulier en aluminium en r alit cet auget correspond au mod le qui devrait tre envoy Butembo pour des essais sur une turbine r elle Cette courbe ainsi qu une copie de la notice de calcul avec les donn es du site de Butembo figurent en annexe A partir de la deuxi me semaine le stage a pris une tournure diff rente puisque j ai alors commenc un travail purement m canique Il s agissait tout d abord de r aliser une premi re bauche d un injecteur complet de turbine Pelton Pour cela je me suis largement inspir des mod les pr sent s dans la bibliographie mise ma disposition L objectif tait de dimensionner un injecteur simple r aliser pour les pays du sud plut t qu une merveille de technologie pointue Je retiens cette phrase de Jacques en Afrique le but premier est d abord de r ussir produire simplement de l lectricit avant de s inqui ter gagner un ou deux pour cent de rendement Cette base de dimensionnement tait destin e tre comment e et critiqu e pa
18. ment Yannick Albert stagiaire Date de conception Ao t 2005 Date de mise en ligne 2006 R f rence interne T093 3 03 01 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANZA WWW codeart org AYANT CODEART Mises CONTRIBUTION A LA CONCEPTION p PerEnOn D UNE TURBINE PELTON T l 0032 0 87 78 59 59 Fax 0032 0 87 78 79 17 info codeart org www codeart org Objectifs L un des premiers besoins des pays du sud est videmment le besoin en nergie que ce soit pour produire de l lectricit ou simplement pour entra ner une machine agricole L un des moyens pour cela est d utiliser l nergie hydraulique et les turbines Pelton en particulier En effet ce type de turbine convient tr s bien pour les grandes hauteurs hydrauliques et les petits d bits Elles ont de plus un bon rendement pour les petites et moyennes puissances de quelques centaines de watts quelques dizaines de kilowatts ce qui est souvent le cas des applications dans les pays en voie de d veloppement Enfin elles sont relativement faciles r aliser localement R sultats atteints Travail poursuivre ALBERT Yannick Ao t 2005 Avec l appui de Etude cofinanc e gr ce Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA www codeart org APN INSTITUT SUPERIEUR INDUSTRIEL GRAMME d T m 3 v STAGE DE PREMIERE LICENSE CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D UNE TURBINE PELTON
19. nne repr sentation 15 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN 5 R alisation d un injecteur pour une turbine Pelton La r alisation sur Solidworks d un mod le d injecteur pour une micro turbine Pelton est le travail qui m a occup durant la deuxi me des trois semaines de stage Il s agissait d une demande fournie en annexe pour un injecteur d bit variable contr l par un pointeau commande manuelle Cet injecteur devait faire partie d une turbine command e par Andr Carrere Madagascar Les donn es principales taient les suivantes diam tre de Pelton 250 mm diam tre du jet 20 mm Au d part comme cela est indiqu sur le dossier en annexe l injecteur devait tre muni d un syst me de d flecteur pour d vier tout ou partie du jet en cas de probl me quelconque Cependant je n ai pu avancer aussi loin c est pourquoi sur les plans pr sent s ne figure pas ce fameux d flecteur L objectif que m avait fix mon ma tre de stage tait d aller aussi loin que possible sans r inventer la roue Il voulait donc que je m inspire fortement des designs d injecteurs pr sents dans la documentation mise ma disposition Le but recherch tait de simplifier au maximum les pi ces m caniques afin de limiter les co ts de production 16 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN Comme on peut le voir sur le plan
20. ns des pays du sud est videmment le besoin en nergie que ce soit pour produire de l lectricit ou simplement pour entra ner une machine agricole L un des moyens pour cela est d utiliser l nergie hydraulique et les turbines Pelton en particulier En effet ce type de turbine convient tr s bien pour les grandes hauteurs hydrauliques et les petits d bits Elles ont de plus un bon rendement pour les petites et moyennes puissances de quelques centaines de watts quelques dizaines de kilowatts ce qui est souvent le cas des applications dans les pays en voie de d veloppement Enfin elles sont relativement faciles r aliser localement Dans une telle turbine le couple est g n r par la force exerc e par un jet d eau sur un ensemble d augets que l on pourrait comparer des sortes de cuill res fix es sur un rotor Ces machines peuvent avoir un ou deux jets par roue dans les cas o l axe du rotor est horizontal On peut m me aller jusqu six jets si l on est dans le cas d une turbine axe vertical De mani re simple une turbine Pelton est constitu e des l ments suivants un rotor un ou plusieurs injecteurs et un b ti Les plus grandes roues construites peuvent avoir un diam tre de plus de cinq m tres et peser plus de quarante tonnes Dans l injecteur la pression de l eau dans la conduite forc e est convertie en vitesse Ce dernier est constitu d une pi ce en forme de tuyau connect la conduite et d un pointeau
21. r la suite par des sp cialistes de turbines comme monsieur Willot par exemple J ai ainsi dessin sur le programme Solidworks un injecteur dont les plans sont galement donn s en annexe Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN Enfin la derni re partie qui correspond ma troisi me semaine de stage a t de me pencher sur le probl me du b ti de la turbine et de continuer mon travail de dessin aussi loin que je le puisse Bien s r on ne peut arriver au bout d un projet tel que celui ci au bout de quinze jours et j ai donc du m arr ter au milieu de mon travail C est ainsi par exemple que nous n avons pu nous pencher sur le probl me des paliers pour l axe de la turbine ou encore sur le mode de fixation de la roue l arbre En effet deux jours de la fin de mon stage Jacques m a demand de ne plus avancer plus loin sur Solidworks mais de me concentrer sur la sortie des plans 2D des pi ces que j avais d j r alis es J aimerais terminer ce volet en pr cisant que ce stage aurait t une bonne introduction pour un travail de fin d tude dans l esprit de celui r alis l an dernier par Samuel Treinen Cependant j avais d j pris ma d cision de partir en Erasmus avant de commencer chez Codeart et donc si ce projet doit tre men bien dans l avenir ce ne sera sans doute pas par moi malheureusement 3 Introduction aux turbines Pelton L un des premiers besoi
22. s illustre cet angle 10 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN V H on Velocities relative to bucket CARTO Duanag KC repr sente le coefficient de vitesse de l injecteur Il correspond une perte par frottements au niveau de l orifice de ce dernier Sa valeur est habituellement comprise entre 0 95 et 0 99 pour les injecteurs de turbine Il d pend de la forme de l orifice et notamment de son angle de conicit Une valeur habituelle pour ce coefficient valeur par d faut dans la notice de calcul est de 0 97 ku repr sente le rapport de la vitesse d entra nement de l auget la vitesse absolue du jet d eau Habituellement sa valeur est l g rement inf rieure 0 5 soit une valeur typique par d faut dans la notice de calcul de 0 47 Le rendement de la turbine est maximum pour une valeur de 0 5 id ale On con oit ais ment qu une valeur de 1 est impossible puisqu alors le jet aurait la m me vitesse que l auget L eau ne frapperait plus la turbine et n effectuerait de ce fait aucun travail c Utilisation de la feuille de calcul Pour chaque valeur la formule math matique qui a permis d arriver au r sultat est donn e entre parenth ses La contrainte en bleu turquoise repr sente la contrainte critique ou la contrainte la plus lev e qui agit dans l auget consid r Cette contrainte est comparer avec la contrainte maximale que peut suppor
23. se loger les joints l vres Eriks qui assurent l tanch it La carcasse de la machine est r alis e en m cano soud et constitue un ensemble de plaques d une paisseur de quatre millim tres Comme on peut le voir sur les plans d ensemble fournis en annexe ce b ti est form de deux grandes parties distinctes Le premier c t est fixe tandis que le deuxi me est amovible Cela permet un acc s ais au rotor et notamment lors de la phase d alignement des injecteurs avec celui ci Il est bien entendu n cessaire de pr voir un joint entre les deux morceaux du b ti pour ne pas avoir des fuites d eau au niveau de l intersection Je ne pense pas qu il y ait norm ment dire sur cette partie du travail notamment parce qu elle est loin d tre achev e Cependant il me tient coeur d expliquer le syst me permettant d aligner l injecteur sur le rotor Il est en effet tr s important que ces deux pi ces soient bien en face l un de l autre pour que le jet frappe les augets au bon endroit Dans le cas contraire on risque de perdre beaucoup en rendement 19 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN TAN Comme on peut le voir sur les illustrations de la page pr c dente le trou r alis dans le b ti en noir est sensiblement plus grand que le diam tre de l injecteur en bleu Il en est de m me pour les trous de vis dans le b ti figure de droite L utilisation de rondelles extr
24. sign de l injecteur Pour lui les probl mes taient les suivants l orifice de l injecteur est probablement trop fin et m riterait d tre redessin La forme du raccordement des deux tuyaux risque de cr er des turbulences importantes le dilemme tant de choisir entre une section de raccordement la plus douce possible avec un tuyau courb et une r alisation comme celle pr sent e moins ch re mais moins efficace De mon c t je d fendrais le design choisi en montrant le dessin de la page suivante tir du livre de Markus Eisenring qui 17 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 NAN WWW codeart org AZ ANZAW pr sente la fois un pointeau en porte faux et une arriv e d eau semblable celle choisie H MON ON HE D 20m LL 1 Zmd Super Wa w LI a t K g 3 amp 3 A amp Es zZ Wq PUS 6 Juro 3 Toy put Par rapport la r alisation pr sent e ci dessus nous avons choisi de reculer le support arri re du pointeau afin qu il n arrive pas au niveau de la section d arriv e d eau et cela dans le but de limiter les turbulences J ai galement choisi de boulonner ce support sur une bride plut t que de le fileter comme c est le cas ici En effet comme il y a de l eau partout le filet risque bien de subir de la corrosion ce qui l endommagerait et risquerait de rendre le d montage impossible Pour ce qui est de
25. souvenir de ces trois semaines Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org AZ TANZANW 1 Pr sentation de l entreprise Durant les vacances d t 2005 j ai r alis mon stage d application de premi re ann e du deuxi me cycle au sein de l asbl Codeart pour Coop ration au D veloppement de l Artisanat bas e Chev mont entre Aubel et Hombourg L objectif de cette derni re est d appuyer leurs partenaires artisans dans les pays du Sud afin qu ils soient en mesure de produire localement les machines n cessaires pour assurer les besoins de base des populations locales L entreprise est pr sente dans plusieurs secteurs mais plus particuli rement dans ceux de l eau de l nergie de la production des machines agricoles et d outils aratoires L entreprise a t cr e en f vrier 1988 par monsieur Roger Loozen ing nieur de l institut Gramme Le but premier tait d tablir un lien entre un pays industrialis et les pays du sud pour permettre ces derniers de s approvisionner en mati res premi res non disponibles localement s approvisionner en quipements permettant l installation d artisans ruraux rechercher des informations techniques sur les m thodes de production en vue de transferts technologiques Actuellement Codeart est en partenariat avec plusieurs pays mais est principalement actif en Ha ti et au Congo o ils soutiennent des ateliers coles respectivement
26. t Voici les deux formules Elles sont relativement semblables mais les diff rences sont surlign es en rouge 2 ku 1 ku 1 cos Formule donn e par Thake dans sa th orie simplifi e 2 ku 1 ku 1 7 cos kc Formule que nous avons tablie Si on regarde les deux expressions de pr s on constate deux divergences La premi re est la pr sence du terme kc Ce terme repr sente le coefficient de vitesse de l injecteur Apr s r flexion la pr sence de ce terme dans notre formule tait normale car nous avons d couvert que Thake avait tabli son expression en prenant un rendement de 100 pour l orifice de l injecteur De toute fa on ce n est pas a qui fait la grosse diff rence car ce coefficient est tr s proche de 1 0 97 pour tre exact C est bien la deuxi me diff rence la pr sence du carr derri re le terme 1 ku qui divise le rendement trouv par 2 En effet ku repr sente le rapport de la vitesse de l auget la vitesse du jet et il vaut 0 47 Par cons quent 1 ku avoisine les 0 5 et multiplier la formule par ce terme quivaut diviser le rendement par deux par rapport la formule du livre Apr s avoir cherch un moment d o provenait cette diff rence mon ma tre de stage m a demand de ne pas aller plus loin pour plut t me concentrer sur quelque chose de plus pratique et notamment le design d un injecteur et d un b ti de turbine Voil pourquoi l heure actuelle la notice de calcul ne pe
27. ter le mat riau dans lequel est r alis l auget Il faut bien videmment que la contrainte calcul e soit plus faible que la contrainte maximale admissible Pour information voici une s rie de contraintes maximales admissibles pour diff rents mat riaux Ces contraintes sont relativement faibles car elles prennent en compte le fait que l auget est soumis un r gime de fatigue et qu il pr sente des angles rentrants et des variations de section qui engendrent des concentrations de contraintes locales De plus 11 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA www codeart org APN TAN l auget de la turbine peut aussi tre sujet la corrosion de l eau En mettant tous ces facteurs ensembles on obtient la contrainte maximale admissible en divisant la contrainte limite d endurance se par un facteur 4 Brass 60 40 20 N mm Brass Grade SCB4 20 N mm Silicon Bronze C87200 30 N mm Cast Iron Grade 220 25 N mm Cast Iron Grade 260 30 N mm Cast Steel Grade A1 35 N mm Cast Steel Grade A3 45 N mm Stainless Steel 304C12 35 N mm Ces valeurs ne repr sentent bien s r que quelques exemples et dans le cas ou les mat riaux utilis s ne sont pas dans la liste ci dessus tir e du livre The Micro Hydro Pelton Turbine Manual de Jeremy Thake il faut alors proc der comme indiqu plus haut en partant de la contrainte d endurance limite A noter qu au cas o celle ci n est pas connue on peut
28. tion la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN 2 Description du travail r alis C est pr cis ment dans la cellule nergie et sous la direction de monsieur Kyalumba que j ai r alis mon stage d application technique Si Samuel Treinen avait durant son travail de fin d tude d velopp un mod le de turbine Banki en kit l objectif tait ici d tudier une autre sorte de micro turbine savoir la turbine Pelton En effet ce projet tait dans l entreprise depuis un moment mais il leur manquait quelqu un pour d grossir le travail et r aliser une premi re approche aussi bien th orique que pratique Durant les trois semaines du stage on peut dire que mon travail a t d coup en quatre grandes phases Tout d abord il faut savoir que nous n avions pas eu le temps cette ann e d tudier la turbine Pelton au cours de machines hydrauliques La premi re t che qui m a t confi e fut donc de me documenter sur le sujet afin d acqu rir une exp rience suffisante dans le domaine pour pouvoir aborder le dimensionnement d une turbine semblable par la suite Pour cela j ai pu b n ficier du syllabus de Monsieur Oury celui que nous utilisons Gramme ainsi que de plusieurs livres issus de la biblioth que de Codeart dont les r f rences sont donn es en annexe Ces livres taient comme dans beaucoup de domaines r dig s en anglais Cela m a donc permis de m exercer la langue en plus d acqu r
29. uer que puissance constante la force sur l auget tait ind pendante du diam tre de Pelton ce qui tait confirm par une remarque dans le livre de Jeremy Thake A titre d information le calcul effectu la main est donn en annexe Je pense que si j avais r alis mon travail de fin d tude chez Codeart j aurais en premier lieu essay de r soudre ce probl me en me documentant dans d autres r f rences ou mieux en pr sentant mes calculs un sp cialiste pour qu il puisse mettre ses commentaires Enfin je voudrais terminer ce chapitre en disant que sur les derniers jours du stage j ai repr sent un auget de turbine Pelton en reprenant les dimensions sur un auget de marque ZOBOAG sur le programme Solidworks Apr s une tude th orique des contraintes et sachant que les augets dont Codeart dispose allaient tre envoy s Butembo au Congo pour des essais r els un troisi me moyen de se faire une id e des contraintes l int rieur de l auget et de sa capacit de r sistance pourrait tre d importer la pi ce dans un programme de calcul par l ments finis comme Cosmos pour voir les r sultats auxquels on arriverait Ci dessous je pr sente une illustration de l auget tel que je l avais dessin je dois tout de m me ajouter pour tre correct qu il n est pas rigoureusement identique aux augets de chez ZOBOAG notamment au niveau de l ar te centrale de s paration du jet mais il n en constitue par moins une bo
30. ut tre utilis e telle quelle La seule explication que Jacques Kyalumba voyait au probl me tait qu il n tait pas correct de d terminer la puissance fournie par la turbine en calculant le couple partir de la force sur l auget 14 Contribution la conception d une turbine Pelton 2005 AZANTZA WWW codeart org APN Nous avons par ailleurs eu un probl me semblable lorsque plut t dans le projet nous voulions d terminer la force sur l auget La premi re mani re d y arriver celle que nous avons gard e par la suite tait de calculer cette force partir d une formule toute faite donn e dans le livre La deuxi me mani re que Jacques m a demand d essayer tait de partir de la puissance l entr e de la turbine g H Ensuite partir de cette puissance on trouvait la puissance la sortie en supposant connu le rendement de la turbine nous avons pour cela pris un rendement de 80 en nous basant sur le graphique donn plus haut Nous avons alors effectu le chemin inverse au raisonnement que j ai d j donn plus haut C est dire partir de la puissance trouver le couple et enfin trouver la force De nouveau les diff rences entrent les deux mani res taient de l ordre du simple au double Avant de passer sur Excel un petit calcul sur papier avec un exemple nous donnait une force de 373N par la premi re m thode et une force de 640N par la deuxi me Remarque ce calcul nous a quand m me permis de remarq
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