ISILF18 P 1 Gramme
ISILF18 P 1 Gramme
ISILF18 P 1 Gramme
Ing. R. VERMEULEN
Ir V. KELNER
GRAMME – Liège
1. Introduction
Le but de ce travail est d’expliquer le dimensionnement et la conception d’une tur-
bine Pelton à axe vertical pour un site bien précis. Ce site, localisé au Rwanda, dis-
pose d’un chute nette (𝐻𝑛 ) de 110 mètres (dénivelé entre la chambre de mise en
charge et l’entrée de la turbine défalqué des pertes de charges dans les conduites au
débit de dimensionnement). Le débit de dimensionnement est pris comme étant le
débit disponible pendant au moins 30 % du temps, il a été estimé à 300 l/s.
Le brevet pour la toute première roue Pelton fut déposé par Lester Pelton en 1878.
Ce brevet décrit la forme de l’auget ainsi que les différentes manières de les fixer sur
la roue. Le nom de Pelton a traversé les âges, mais rendons justice à un autre acteur
important dans l’histoire de cette turbine : W. Abna Doble. Doble est en réalité l’in-
venteur de la conception de l’auget moderne en 1899. Il a également imaginé l’in-
jecteur constitué d’un pointeau.
La turbine Pelton est une machine à action, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de différence
de pression entre l’entrée (la sortie de l’injecteur) et la sortie de la roue. En réalité,
la pression à l’intérieur du bâti est la pression atmosphérique1. Le principe de fonc-
tionnent est le suivant : l’eau est canalisée par une conduite forcée entre la chambre
de mise en charge et l’entrée du distributeur qui conduit l’écoulement vers le ou les
injecteurs. L’injecteur est chargé d’accélérer l’écoulement, c’est-à-dire de transfor-
mer l’énergie potentielle de pression en énergie cinétique via la loi de conservation
de l’énergie. Généralement, l’injecteur est constitué d’une buse, responsable de la
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Il existe des turbines Petlon dites à contre pression, où la pression dans le bâti est choisie
par l’utilisateur. Ces turbines sont très utilisées dans les réseaux de distribution d’eau par
exemple.
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Cette turbine est particulièrement appréciée pour sa capacité à réguler le débit sur
une grande plage tout en conservant un excellent rendement. De plus, cette régula-
tion peut se faire de manière très précise grâce au pointeau. En réglant avec soin la
position du pointeau dans la buse (via un vérin hydraulique, un moteur électrique,
manuellement, etc.) le diamètre du jet est adapté et par conséquent le débit également
(à hauteur du chute supposée constante).
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2. Dimensionnement hydraulique
Cette section explique l’ensemble des démarches et calculs réalisés dans le but de
dimensionner les différents éléments de la turbine du point du vue hydraulique. Nous
nous limiterons ici à la méthode mise en place pour déterminer les caractéristiques
d’une turbine Pelton à axe vertical. La roue est donc directement montée sur l’arbre
de la génératrice, ce qui entraine que la vitesse de rotation est fixée par la génératrice
choisie.
Il existe trois grandeurs principales qu’il convient de déterminer en premier lieu afin
de définir la turbine Pelton qui s’accorde le mieux aux caractéristiques du site d’ex-
ploitation. Il s’agit du diamètre Pelton (PCD soit Pitch Circle Diameter), du nombre
d’injecteurs et du nombre d’augets. Il est de bonne pratique de déterminer ces para-
mètres de manière itérative dans le but d’obtenir le meilleur compromis possible. En
effet, de nombreuses contraintes telles que le rendement, l’encombrement, le coût,
les contraintes mécaniques etc., imposent des compromis dans la détermination des
trois grandeurs principales.
Étant donné l’axe vertical de la machine, la roue sera directement montée sur l’arbre
de la génératrice. La roue Pelton est donc dimensionnée de telle manière que la vi-
tesse angulaire soit celle demandée par la génératrice.
Le PCD (Pitch Circle Diameter), c’est à dire le diamètre Pelton, est calculé sur base
de la vitesse moyenne de la veine de fluide en sortie d’injecteur (𝑉1 en [m/s]). En
appliquant la loi de la conservation de l’énergie nous avons :
𝑉1 = 𝐶𝑣 √2 𝑔 𝐻𝑛
Dans un premier temps, un nombre idéal d’injecteurs est déterminé suivant la mé-
thode Thake [5]. Thake définit le diamètre idéal du jet comme étant une fraction du
diamètre Pelton, soit :
𝑑𝑗𝑒𝑡 𝑖𝑑é𝑎𝑙 = 0,11 𝐷
Sachant que le débit total vaut la vitesse en sortie d’injecteur multipliée par l’aire du
jet et leur nombre, le nombre idéal de jet est calculable via :
𝑄
𝑛𝑗𝑒𝑡 𝑖𝑑é𝑎𝑙 =
𝑉1 𝐴𝑗𝑒𝑡 𝑖𝑑é𝑎𝑙
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Déterminé sur base de la théorie présentée par Damien Lodomez dans son rapport de stage
[4]. Étant directement liée aux augets Thake [5], la valeur du rapport pourrait être modifiée
une fois l’auget final défini.
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En règle générale, le nombre d’augets placé sur une roue se situe entre 18 et 24.
Cependant, il est important de déterminer cette valeur avec précaution pour éviter
tout problème de faufilement. Ce phénomène apparait lorsqu’une partie du jet inci-
dent ne parvient à rentrer en interaction avec aucun auget. Cette portion du jet se
faufile entre les augets pour terminer sa course contre le bâti de la turbine. Le faufi-
lement est, par conséquent, très néfaste pour le rendement de la machine étant donné
que l’énergie contenue dans la portion de jet qui se faufile est tout bonnement perdue.
Pour éviter tout faufilement il faut que la condition suivante soit remplie (fig. 3) :
𝐴𝐵 ̂ ≤ 𝐴𝐶
̂ + 𝐵𝐶′ ̂
avec
̂ = 𝐷𝑝 𝛼
𝐴𝐶
2.4. Résultats
Au terme de ce processus itératif, nous obtenons une turbine dont les grandeurs ca-
ractéristiques sont :
PCD : 550 mm
Nombre de jets : 4
Nombre d’augets : 18
sachant que le débit de dimensionnement est de 300 l/s, la hauteur de chute nette 110
m et la vitesse de rotation choisie 750 tr/min.
3. Conception mécanique
La conception d’une machine est un processus hautement itératif qui débouche sur
une multitude de versions différentes. Il sera donc présenté ici certaines pièces capi-
tales ainsi que les choix qui ont influencé leur design. Nous n’abordons pas l’entiè-
reté de la conception afin de rester succinct et de respecter la confidentialité de ce
travail.
3.1. Bâti
La conception du bâti d’une turbine peut paraitre banale et peu complexe. Or, il s’agit
pourtant d’un élément crucial ayant pour rôle de canaliser l’eau vers la sortie de la
machine. Il existe donc des règles de bonne pratique concernant les dimensions mi-
nimales du bâti, comme par exemple le diamètre intérieur, ou encore l’espace entre
la roue et le sommet du bâti, qui garantissent la bonne évacuation de l’eau. Dans le
cas de figure où le bâti ne remplit pas correctement sa fonction, des pertes de rende-
ment seront observées au niveau de la turbine. En effet, après que la veine de fluide
soit passée dans un auget de la roue, elle ne contient plus d’énergie. Si elle vient à
entrer à nouveau en intersection avec la roue, cela engendre des pertes significatives
(cela peut également altérer la qualité du courant électrique produit).
Dans la conception du bâti de la turbine Pelton, les dimensions minimales issues des
règles de bonne pratique ont été légèrement rehaussées pour les raisons suivantes :
Un autre élément important dans la conception de cette pièce est la flèche, c’est-à-
dire la déformation du sommet du bâti après l’installation de la génératrice et la roue.
Minimiser cette flèche permet un alignement parfait entre les splitter des augets et
l’axe des injecteurs.
3.2. Distributeur
Nous avons opté pour une géométrie de distributeur telle qu’à la figure 4 car elle
tient la route hydrauliquement. En effet, les bifurcations et les coudes sont modérés
pour introduire peu de pertes de charges mais aussi maintenir un écoulement stable
(peu turbulent). Ceci est important pour garantir un jet homogène jusqu’à son inte-
raction avec les augets. Une attention particulière à également été portée à l’assem-
blage des éléments. Il ne faut pas oublier qu’une pièce de chaudronnerie peut avoir
des tolérances allant jusqu’au centimètre. Le distributeur a donc été conçu en diffé-
rente pièces dont l’assemblage permet de récupérer les jeux. Des joints de démontage
sont aussi prévus entre le corps du distributeur et les injecteurs pour permettre un
ajustement précis du positionnement des injecteurs. De plus, la conception par mo-
dules facilite énormément le transport de la machine. Le site étant au Rwanda avec
une accessibilité réduite, il est bon de ne pas s’encombrer de pièces trop volumi-
neuses.
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3.3. Injecteur
L’injecteur est un organe phare de la turbine Pelton. Cet organe a deux fonctions
principales : opérer la transformation d’énergie de pression en énergie cinétique en
créant un jet homogène et réguler avec précision le débit en introduisant peu de
pertes de charges.
Certains détails, non énoncés sur les représentations, sont tout de même à souligner.
Comme expliqué plus haut, il est capital pour le rendement que l’injecteur crée un
jet le plus uniforme et net possible. Une des règles de conception pour obtenir un
bon résultat est d’avoir une arête tranchante en sortie d’injecteur (comme schématisé
à la figure 6). Or, cette arête sera très vite sujette à de l’abrasion, d’autant plus que
l’eau risque d’être légèrement chargée en sable et autres impuretés, ce qui entrainera
une rapide dégradation de la qualité du jet. Nous avons donc opté pour une arête
« plate » (l’arête de la figure 6 est donc chanfreiné dans notre cas), légèrement moins
efficace mais bien plus résistante à l’usure.
3.4. Déflecteur
Le déflecteur est un organe de sécurité, il est chargé de dévier le jet hors de la roue
Pelton en cas d’emballement de la turbine. Il fonctionne donc de pair avec le poin-
teau, mais a l’avantage de pouvoir être actionné très rapidement sans aucun risque
de coup de bélier et ainsi permettre au pointeau de se refermer doucement par la
suite.
Cette vitesse est définie comme étant 1,8 ×𝑁𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 . Une telle vitesse est suscep-
tible d’endommager la turbine mais surtout le générateur dont les bobinages risquent
de céder sous l’effet de la vitesse angulaire élevée. C’est pourquoi la sécurité est
généralement enclenchée pour une vitesse 1,25 fois supérieure à la vitesse nominale.
Les deux principaux types de déflecteurs sont représentés ici (voir fig. 7) :
1. Le premier type possède une arête tranchante sur le dessus pour venir couper
puis dévier une partie du jet de plus en plus importante au fur et à mesure de
la rotation.
2. Le deuxième type s’insère par le dessus du jet. Il suffit de couper environ la
moitié du jet pour que l’ensemble de l’eau soit déviée hors de la roue (la
pénétration exacte dépendra de la géométrie du déflecteur ; toutefois, de
manière générale, une pénétration de 50 % du jet suffit).
La plupart des turbines utilisent le second type car bien que cette solution augmente
la distance injecteur-auget, l’action de celui-ci est plus rapide étant donné qu’il suffit
de couper seulement une fraction du jet. De plus, en positionnant le déflecteur au-
dessus du jet, il protège partiellement celui-ci des gouttelettes d’eau voltigeant dans
tout le bâti et pouvant perturber son l’homogénéité.
C’est donc le deuxième type de déflecteur qui a été retenu dans la conception de la
turbine.
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4. Conclusion
Ce travail débouche sur une conception de turbine Pelton encourageante pour un
développement futur. En effet, la cohérence hydraulique et mécanique de la machine
est validée par de nombreuses bases de comparaison, tels que les turbines proposées
par les autres constructeurs3, ainsi que par la théorie et les règles de bonne pratique.
Cependant, des étapes cruciales de prototypages et essais, suivis inéluctablement par
des corrections au design de la machine, sont encore à faire avant que JLA ne puisse
proposer une turbine Pelton à la hauteur de sa réputation. Par ailleurs, le choix des
matériaux, non exposé dans ce papier, devra être revu pour concorder avec les pro-
cédés de fabrication et la sous-traitance.
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De nombreuses demandes d’offres pour une turbine similaire ont été faites auprès d’autres
constructeurs européens. Cela a permis une rapide étude de la concurrence mais aussi de
servir de base de vérification pour la conception de notre turbine.
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5. Sources
[1] VERMEULEN, R., Conception d’une turbine hydraulique de type Pelton à axe
vertical, Mémoire de master, Liège, Belgique : HELMo Gramme, juin 2017,
pp.8, 53.
[5] THAKE, J., The micro-hydro Pelton turbine manual – Design, Manufacture
and Instalation for Small-scale Hydropower
Warwickshire, Practical Acrion, 2000, pp.14, 29, 46, 78.