ÉTUDE DE CARACTÉRISATION TECHNIQUE D'UNE TURBINE HYDRAULIQUE DE FRANCIS

Abstract

Ce mémoire porte sur l'étude de caractérisation technique d'une turbine hydraulique de Francis et la production électrique renouvelable en terme générale avec un accent particulier sur un type de turbine utilisée qui est celui de la turbine de Francis. L’étude numérique a été menée sur un cas concret de cette turbine en moyennant différentes formules énergétiques classiques et celles de similitudes appliquées aux turbines hydrauliques dans le but de comprendre les éléments techniques régissant la conception et le bon fonctionnement de ces machines et aussi de maîtriser l’adaptation de l’utilisation d’une turbine donnée aux différentes conditions qui peuvent se poser en pratique. Quatre cas d’étude ont été envisagés durant ce travail lesquels sont le cas de vitesse de rotation constante, le cas de la vitesse de rotation variable, le cas de la variation du degré de réaction de la turbine et le cas de l’étude des similitudes pour la même géométrie (sans changement de taille, et avec changement de taille) pour voir l'impact sur différents facteurs tels que le rendement, le couple, les puissances, la vitesse de rotation unitaire, le couple unitaire, le débit unitaire, etc. A l’issue de chaque cas d’étude, des courbes caractéristiques ont été tracées. Les résultats obtenus sous forme de valeurs numériques et de courbes tracées sont riches en informations sur les différentes phases de fonctionnement de la turbine et peuvent constituer un guide d’utilisation pour l’ingénieur en fonction des besoins qui peuvent se présenter. Enfin, cette étude montre d’une part le chemin vers la possibilité d’installation de ce type de turbine, au moins pour une production énergétique locale, en exploitant les conditions géographiques qui existent pratiquement dans tout le territoire nord du pays (littoral et haut plateau), et d’autre part peut constituer une solution sérieuse pour le défi énergétique globale généralement et algérien en particulier avec un grand potentiel qui est loin d’être exploiter. Mots clés : Turbine hydraulique, Turbomachine motrice, Turbine Francis, Centrale hydroélectrique. Abstract This thesis focuses on the technical characterization study of a Francis hydraulic turbine and the renewable electricity production in general terms with a particular emphasis on a type of turbine used which is that of the Francis turbine. The numerical study was carried out on a concrete case of this turbine by averaging different classic energy formulas and those of similarities applied to hydraulic turbines in order to understand the technical elements governing the design and the proper functioning of these machines and also to control adapting the use of a given turbine to the different conditions that may arise in practice. Four case studies were considered during this work which are the case of constant rotation speed, the case of variable rotation speed, the case of the variation of the degree of reaction of the turbine and the case of the study of the similarities for the same geometry (without size change, and with size change) to see the impact on different factors such as efficiency, torque, powers, unit rotational speed, unit torque, unit flow, etc At the end of each case study, characteristic curves were plotted. The results obtained in the form of numerical values and plotted curves are rich in information on the different operating phases of the turbine and can constitute a user guide for the engineer according to the needs that may arise. Finally, this study shows, on the one hand, the path towards the possibility of installing this type of turbine, at least for local energy production, by exploiting the geographical conditions that exist practically throughout the northern territory of the country (coastal and high plateau), and on the other hand can constitute a serious solution for the overall energy challenge generally and Algerian in particular with a great potential which is far from being exploited. Keywords: Hydraulic turbine, Turbomachine, Francis Turbine, Hydroelectric power station. الملخص تركز هذه الأطروحة على دراسة الخصائص الفنية لتوربينات فرانسيس الهيدروليكية وإنتاج الكهرباء المتجددة بشكل عام مع التركيز بشكل خاص على نوع التوربينات المستخدمة وهو توربين فرانسيس. تم إجراء الدراسة العددية على حالة ملموسة لهذا التوربين من خلال حساب متوسط صيغ الطاقة الكلاسيكية المختلفة وتلك الخاصة بأوجه التشابه المطبقة على التوربينات الهيدروليكية من أجل فهم العناصر التقنية التي تحكم التصميم والتشغيل السليم لهذه الآلات وكذلك للتحكم في تكييفها. استخدام توربين معين للظروف المختلفة التي قد تنشأ في الممارسة. تمت دراسة أربع دراسات حالة خلال هذا العمل وهي حالة سرعة الدوران الثابت ، حالة سرعة الدوران المتغيرة ، حالة اختلاف درجة تفاعل التوربين وحالة دراسة أوجه التشابه لنفس الهندسة. )بدون تغيير الحجم ، ومع تغيير الحجم( لمعرفة التأثير على عوامل مختلفة مثل الكفاءة ، وعزم الدوران ، والقوى ، وسرعة دوران الوحدة ، وعزم دوران الوحدة ، وتدفق الوحدة ، إلخ. في نهاية كل دراسة حالة ، تم رسم منحنيات مميزة. النتائج التي تم الحصول عليها في شكل قيم عددية ومنحنيات مخططة غنية بالمعلومات حول مراحل التشغيل المختلفة للتوربين ويمكن أن تشكل دليل مستخدم للمهندس وفقًا للاحتياجات التي قد تنشأ. أخيرًا ، توضح هذه الدراسة ، من ناحية أخرى ، المسار نحو إمكانية تركيب هذا النوع من التوربينات ، على الأقل لإنتاج الطاقة المحلية ، من خلال استغلال الظروف الجغرافية الموجودة عمليًا في جميع أنحاء الإقليم الشمالي من البلاد )الساحلية والهضبة المرتفعة(. ( ، ومن ناحية أخرى يمكن أن يشكل حلا جادًا لتحدي الطاقة بشكل عام والجزائري بشكل خاص مع إمكانات كبيرة بعيدًا عن الاستغلال. الكلمات المفتاحية : التوربينات الهيدروليكية ، التوربينات التوربينية ، توربين فرانسيس ، محطة الطاقة الكهرومائية.