TURBINE KAPLAN

1. Structure et principe de fonctionnement de la roue Kaplan

Les turbines Kaplan appartiennent aux turbines réaction et se composent principalement d'une roue, d'une chambre de roue, d'un ensemble de distributeurs et d'une volute.

Les aubes de la roue d'une turbine Kaplan sont similaires à celles d'un ventilateur, et la figure ci-dessous montre une roue à quatre aubes.

La roue est installée dans la chambre de roue, et le flux d'eau entre et sort de la roue axialement, comme le montre la figure ci-dessous.

La section de l'aube d'une turbine hydraulique Kaplan a une forme aérodynamique, épaisse à la racine et mince sur les bords, l'eau s'écoulant axialement à travers les aubes de la roue, et son principe de fonctionnement est similaire à celui d'une éolienne. La figure ci-dessous montre le diagramme des forces sur l'aube, dans lequel la force sur l'aube est simplement analysée à l'aide d'une section d'une aube. L'axe de la roue est perpendiculaire au sol, et les lignes fléchées dans la figure sont des lignes vectorielles qui indiquent à la fois la magnitude et la direction.

Tout d'abord, regardez le schéma de gauche. Le point m est une particule d'eau proche de l'aube. Pour plus de clarté, elle est déplacée vers le haut à gauche. La vitesse de la particule d'eau est V. En raison de la circulation lorsque l'eau entre dans la zone de la roue, sa direction dans le diagramme n'est pas verticalement vers le bas mais inclinée vers la gauche. L'aube tourne autour de l'arbre, et la vitesse tangentielle de sa section est U. Par rapport à l'aube, la particule d'eau m se déplace vers la droite à une vitesse de -U. Par conséquent, la vitesse relative de la particule d'eau m par rapport à l'aube est W, ce qui signifie que la direction du flux d'eau agissant sur l'aube est W. Ensuite, examinez le schéma de droite. L'aube est soumise à un flux d'eau dans la direction W. Comme W forme un angle d'attaque α avec la corde de l'aérodynamique c, une force de portance L perpendiculaire à W est générée, ainsi qu'une force de traînée D (dans la même direction que W). La force résultante R de ces deux forces est la force agissant sur l'aube. La composante horizontale de R est F, qui est la force qui entraîne la rotation de l'aube.

   

• Turbine Kaplan à aubes fixes

Les aubes de roue d'une turbine à flux axial à aubes fixes sont fixées au moyeu, présentant une structure simple et un faible coût. Cependant, sa puissance ne peut être contrôlée qu'en ajustant les distributeurs, ce qui entraîne une baisse significative de l'efficacité de la turbine en cas de variations considérables de la chute et de la charge. Les turbines à flux axial à aubes fixes sont généralement appliquées sous une chute d'eau inférieure à 25 mètres avec une puissance ne dépassant pas 50 000 kilowatts.

• Turbine Kaplan à aubes réglables

Les aubes de roue d'une turbine Kaplan à flux axial peuvent pivoter en conséquence en fonction des changements de chute et de charge, ajustant l'angle d'attaque α des aubes. Cela permet à la turbine de maintenir d'excellentes performances de fonctionnement même lorsque la chute et la charge varient considérablement. Le mécanisme de commande de la rotation des aubes est situé à l'intérieur du moyeu, comprenant principalement un vérin hydraulique qui entraîne les aubes. Le piston à l'intérieur du vérin actionne la rotation des aubes par l'intermédiaire d'une tige de piston, de bielles, de bras d'aube et d'autres composants.

La figure ci-dessous est un schéma de la rotation des aubes de roue d'une turbine Kaplan. La figure de gauche montre l'aube en position fermée ; celle du milieu est la position de calcul, qui est la position de conception en fonctionnement normal ; celle de droite est la position entièrement ouverte.

3. La structure de la TURBINE KAPLAN

Une turbine Kaplan se compose principalement de trois composants majeurs. Les pièces tournantes comprennent la roue et l'arbre principal. Les pièces fixes comprennent principalement la volute, l'anneau de support, l'anneau inférieur, le couvercle supérieur, le support supérieur, le cône, la chambre de roue et le tube de fuite. L'ensemble des distributeurs comprend des aubes directrices mobiles, des leviers d'aubes directrices, des bielles d'aubes directrices, une bague de commande et un servomoteur. Il y a aussi des paliers de guidage, des joints d'arbre et d'autres composants.

La figure ci-dessous est une vue en coupe de l'anneau de support, de l'anneau inférieur, du couvercle supérieur, du support supérieur, du cône et du revêtement du tube de fuite, montrant la structure de base. L'anneau de support sert de fondation à l'ensemble de la turbine hydraulique et est le composant le plus critique.

Le couvercle supérieur est installé sur la partie supérieure de l'anneau de support, tandis que l'anneau inférieur et la chambre de roue sont montés sous l'anneau de support. La volute est montée sur la circonférence extérieure de l'anneau de support. Le tube de fuite est installé sous la chambre de roue. Le couvercle supérieur est monté sur la partie supérieure intérieure de l'anneau de support, le couvercle de support est installé à l'intérieur du couvercle supérieur, et le cône (cône guide) est monté sur la partie inférieure intérieure du couvercle de support. La figure ci-dessous montre un schéma de ces composants assemblés.

4. Conditions de fonctionnement de la turbine Kaplan

La figure ci-dessous est un schéma de la direction du flux d'eau d'une turbine hydraulique à flux axial, les lignes fléchées bleues indiquant la direction du flux d'eau.