Turbines Kaplan, semi Kaplan, hélice

[Gil De Witte]

Bonsoir, merci pour ces réponses auriez vous dans vos documentations une illustration ou photo représentant une Kaplan en position fermée et en position ouverte, ce afin de pouvoir "zéroter" mes exentriques commandant les aubes.Ce week end je vous enverrai des prises de vues des différentes étapes de la construction de ma Kaplan.Merci de pouvoir bénéficier de vos puits de savoirs. Gil

[Gil De Witte]

Bonsoir le réservoir à savoir, j'aurai souhaité voir quelques illustrations ou autres d' une Kaplan ayant son aubage en position max et en position mini, ce afin pouvoir "zéroter" les excentriques de ma Kaplan en CNAO.
Je vous joint quelques photos de l'avancement du projet
P.S: CNAO=Création non assistée par ordinateur.

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[dB-)]

Bonjour,

je crains que vous ne soyez déçu du fonctionnement de cette hélice, à cause des points suivants, évoqués ici

- les pales ne sont pas rigoureusement identiques entre elles, l'équilibrage sera difficile, et les efforts dynamiques seront différents entre pales
- elles ne sont ni profilées ni vrillées, ce qui va pénaliser le rendement
- le guidage des axes est très court, ce qui risque d'entraîner du jeu, des vibrations, et un arc-boutement
- les axes mêmes semblent faibles, et risquent de casser ou de plier à la jointure axe-pale
- le moyeu est fixé (et peut tourner) sur l'arbre par un filetage court, ce qui va entraîner du jeu
- enfin le mécanisme de cames me semble très petit et délicat

Vous vous attaquez à quelque chose de très délicat, la réalisation amateur d'une petite roue Kaplan performante est possible, mais extrêmement difficile : une solution serait de créer un modèle de pale en bois dur avec des gabarits (ou directement en ABS par impression 3D), très soigné, un profil et un vrillage prononcé, un pied de pale plat et massif, puis ponçage impeccable, vernis, et mouler plusieurs pales identiques en bronze.

Ensuite ébavurer et polir à la main, usiner les pieds de pales sur un montage, les rapporter sur des axes inox tournant dans des bagues bronze emmanchées à force dans le moyeu, lui-même usiné dans un bloc d'inox, en reprenant les techniques d'usinage utilisées par exemple pour la réalisation d'un micro-moteur thermique, et enfin privilégier un mécanisme de réglage d'incidence par biellettes et croix de Malte, simple et solide.

Toutes ces techniques sont expliquées entre autres sur le très intéressant forum Usinages avec des exemples ici

Pour répondre à votre question concernant le calage, vous pouvez prendre un angle nul roue fermée (les pales sont à plat), et environ 30° pales ouvertes.

dB-)

[ericnoharet]

Bonjour,

Afin de pouvoir faire une commande "eléctronique" des pâles d'une kaplan, je dois modifier le schéma existant.

Actuellement, il y a un distributeur hydraulique commandé par une came.

Cette came est elle même commandée par les directrices.

Je mettrai une photo prochainement, j'en ai pas sous la souris.

J'ai pensé au schéma ci-dessous.

Je remplace le distributeur à came par un électrique.

Mais comme il faut une fonction de securité en cas de coupure secteur, j'ai ajouté deux distributeurs.

Il y a une "vessie" de réserve de pression pour pouvoir fermer.

Avez vous des avis remarques, experiences sur le sujet ?

modif commande pale.jpg

Eric

[moulin.remy]

Bonjour Eric,

Je ne vois pas l'intérêt de "refermer" les pales sur une coupure réseau, la fermeture s'effectue par les directrices si double réglage, ou une vanne de garde si simple réglage. La commande d'incidence des pales ne peut pas stopper la machine et fermer complètement l'hélice d'une Kaplan. il n'y a pas besoin de la vessie dans le circuit commande des pales, elle ne sert qu'aux directrices.

Autre intérêt de ne pas "dérégler" l'incidence des pales : si coupure secteur, on ferme les directrices, la machine s'arrête, au retour du réseau, c'est l'angle des pales (qui n'a pas bougé) qui commande via l'automate, l'angle d'ouverture des directrices pour reprendre la régulation de niveau et retrouver plus vite le bon débit à turbiner.

Exemple, si la turbine est ouverte à 100%, avale 10 m3/s, coupure réseau, il faut évacuer ces 10 m3/s par un clapet, un déversoir, ect.
Dans ton schéma, au retour réseau, la turbine reprend son cycle de démarrage classique, disons ouverture à 40%, soit 4 m3/s, il reste de l'eau à évacuer en attendant (un certain temps) que l'automate ouvre progressivement la turbine et reprenne la régulation. Ici d'une part, le niveau du bief va être trop haut tout le temps que la régulation joue son rôle, et d'autre part, toute l'eau ne passant pas par la turbine est un manque à gagner.

Si on ne bouge pas les pâles, au retour réseau, l'automate ouvre les directrices en fonction de l'ouverture des pâles, et reprend aussitôt l'ouverture à 10m3/s de la turbine, de suite adaptée au débit actuel de la rivière. On évite la fluctuation des niveaux à l'amont, plusieurs manœuvres de l'ensemble pâles directrices, et on turbine immédiatement toute l'eau disponible.

Personnellement, je monterais un distributeur double effet avec centres fermés pour commander le vérin d'incidence des pâles, et conserverais la vessie pour les directrices, en ajoutant un limiteur de débit sur la vessie pour avoir un réglage sur la vitesse de fermeture.

Slts

Thomas

[dB-)]

Bonjour,

je n'ai pas étudié complètement votre schéma faute de temps, mais à priori :

- ça me semble un peu compliqué, avec 6 électrovannes
- il faut ajouter un limiteur de débit sur l'accumulateur hydraulique (sécurité et bon fonctionnement)
- et aussi sur les deux mouvements
(sinon création de fortes contraintes hydrauliques et mécaniques lors de mouvements brusques)
- ajouter aussi un robinet pour décharger si besoin l'accumulateur (par exemple pour le tarage de la pression d'azote)
- attention aux électro-vannes, même de marque (Bosch, etc ...) elles présentent une fuite normale, fonctionnelle
- dans certains cas (blocage de charge) préférer des électro-clapets
- ou des électrovannes mais suivies de clapets pilotés

A mon avis : sur les anciennes Kaplan, les constructeurs ne disposaient que de systèmes de régulation simples, comme la came de synchronisation. Aujourd'hui, avec un automate, on peut sophistiquer sans compliquer, c'est ce que j'ai fait par exemple sur une Kaplan double réglage en sortie de conduite forcée :

- un vérin sur le distributeur, un vérin pour les pales
- capteurs de position sur les deux vérins
- synchronisation pales / distributeur par une courbe dans l'automate (voir ci-dessous)
- courbe obtenue expérimentalement par des mesures au wattmètre sur le site
- pour telle ouverture du distributeur on cherche l'ouverture optimale des pales, en éliminant les points bruyants
- pour l'arrêt complet (*) une fermeture du distributeur mais une ouverture des pales, qui permet de réduire la vitesse d'emballement de la turbine sur coupure EDF

(*) soit gérée par le groupe hydraulique sur un arrêt normal, soit sur accumulateur sur une coupure de réseau ou ouverture disjoncteur.

La séquence normale d'arrêt complet est la suivante :

- fermeture progressive (*) du distributeur et des pales en synchronisation
- presque en fin de fermeture du distributeur, ouverture complète des pales
- ouverture du contacteur indépendamment de l'hydraulique : en dessous de la vitesse de synchronisme
- ouverture du bipasse de la vanne papillon à l'entrée de la bâche
- fermeture complète du distributeur
- fermeture progressive de la vanne papillon
- fermeture du bipasse
- activation du frein si présent
(*) progressive = gestion par l'automate + sécurité en arrière plan par les limiteurs de débit

La séquence d'arrêt d'urgence (sur coupure secteur, ouverture disjoncteur, erreur watchdog de l'automate, ...) est plus compacte (ici sur une installation sans batterie de secours pour l'automate) :

- le contacteur s'ouvre, la turbine s'emballe sévèrement, tout le monde se sauve
- l'automate n'est plus alimenté, ses contacts de sortie s'ouvrent, aucune électrovanne n'est alimentée
- fermeture progressive (par le limiteur de débit) et complète du distributeur, sur accumulateur
- ouverture progressive (par le limiteur de débit) et complète des pales, sur accumulateur
- fermeture progressive et gravitaire de la vanne papillon (encore un limiteur de débit)
- activation du frein si présent

Ci-dessous un exemple de schéma sur une installation réalisée il y a quelques années : J'y ai apporté depuis quelques améliorations, mais l'essentiel est là.

Commande hydraulique turbine Kaplan DBH.png

Synchronisation pales distributeur.png

Bon W.E.

dB-)

[ericnoharet]

Bonjour,

Merci de vos réponses, j'était passé à coté, le forum ne m'ayant pas averti.
(j'ai constaté que cela arrive parfois)


@Thomas

Concernant la fermeture des directrices, elle est nécessaire, quand un objet bloque les directrices, cela limite la survitesse.
On est d'ailleurs presque à l'arrêt car les pales "ferment" assez bien.

Il n'y a pas de vanne de garde sur cette centrale.

Il n'y a pas de déversoir, que l'on turbine ou pas il y a toujours une surverse au dessus du seuil.
Quand on arrête cela verse un peu plus (quelque mm seulement)

Concernant le manque à gagner, il y a une tempo de démarrage conséquente après un arrêt, car c'est toujours sur un soucis réseau que cela s'arrête, et il vaut mieux attendre que cela soit stabilisé.
Et je préfère un démarrage en douceur, pour la mécanique, et pour un couplage presque synchrone sur le réseau pour le matériel électrique.

Pour la fermeture des directrices, il y a un câble et un contre poids


@Db

C'est vrai que la partie existante me parait un peu compliquée, mais je vais laisser intact.

Effectivement, il y a des limiteurs de débit existants mais pas dessinés.

Mais même tout à fond, ce n’est pas rapide car le vérin est assez gros et la pression est de 12 BARS seulement.
C'est de l'hydraulique de 1947 (et conçue bien avant).

J'avais bien prévu des electro-clapet (ou clapet pilotés) qui ont une sécurité positive et ne risquent pas le collage en cas de longue non activation.
Sauf pour le distributeur 4/3

Il y a déjà un vérin pour les directrices avec sa commande électrique par clapets pilotés.
C'est plus récent et c'est indépendant avec pompe hydraulique indépendante (pression 100 bars max sur ce circuit et 40 bars en fonctionnement normal)

J'ai installé deux capteurs de position sur les mouvements (en plus des fin de course, et des fin de course de sécurité)

Il ne me reste que la commande des pales à modifier sur le plan hydraulique.

Pour l'ouverture des pales comme sécurité de sur vitesse, il faut que je fasse des essais, mais il est à priori mieux de les fermer pour cette turbine.

Il n'y as pas de vanne de garde, on est en basse chute (2.8m) l'aspirateur en béton à une ouverture de 6.5x6.5 mètres, pas facile de mettre une vanne papillon !

Et il est maintenant difficile d'ajouter autre chose, car en plus on est dans un zone qui prend bien l'eau lors des crues.
Avec des brindilles de 25 mètres de long et quelques tonnes couramment !

Le but est d'améliorer fortement le "tableau" de coordination pale/directrice.
En effet le site à de très fortes variations de niveau et il faudra avoir au moins cinq courbes différentes.

Sur votre schéma, je ne comprend pas comment le vérin A (directrices ou pales) vont pouvoir bouger en cas de panne secteur.

Je recherche en effet un schéma ou tout fonctionne sans électricité en cas de soucis.

Merci encore

Eric

[PERRET]

Bonsoir,

Refermer les pales pour arrêter une Kaplan n'est pas toujours la meilleure solution.

En effet, suite à une coupure réseau, le temps de fermeture des pales n'est pas négligeable et la turbine s'emballe d'autant plus vite que les pales se referment. Et cela va très vite.
Exemple vécu sur une turbine Goulut et Borne simple réglage, si la tige de commande des pales, dont la course est faible, est mal réglée ou déréglée, la turbine se met à tourner extrèmement rapidement en sens inverse lors d'un arrêt. Pas souhaitable pour la mécanique.

Sur une Kaplan simple réglage avec vanne de garde, il est donc préférable d'ouvrir complètement les pales en cas de mauvais fonctionnement de cette vanne pour limiter au maximum la vitesse d'emballement lors d'un découplage.

[ericnoharet]

Bonjour,

La fermeture des pales lors d'une coupure est le fonctionnement qui existe depuis 1947 sur cette turbine.
Donc cela fonctionne assez bien.
Mais je ferais un essai en ouverture dés que j'aurai modifié la commande hydraulique des pales.

Avec l'automate ce sera très facile.

Eric

[ericnoharet]

Bonjour,

Comme promis, les photos du système existant de commande des pales et directrices.
On ne voit que le début de la tige de commande des directrices car la barre fait pas loin de 10 mètres de long.
Comme cela on est hors crue centenaire au moins.

vuecoteverindirectricec.jpg

sytcoment.jpg

Eric