Principes fondamentaux des turbines hydrauliques
Une turbine hydraulique est une machine qui convertit l'énergie potentielle de l'eau en énergie mécanique. En utilisant cette machine pour entraîner un générateur, l'énergie hydraulique peut être convertie en électricité. Il s'agit du groupe hydro-générateur. Les turbines hydrauliques modernes peuvent être divisées en deux catégories selon le principe d'écoulement de l'eau et les caractéristiques structurelles. Un autre type de turbine qui utilise à la fois l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de l’eau est appelé turbine à impact.
Dans le cas des turbines à réaction, l'eau puisée dans le réservoir en amont s'écoule d'abord vers la chambre de dérivation d'eau (volute), puis s'écoule dans le canal incurvé de la pale du rotor à travers l'aube directrice. Le flux d'eau produit une force de réaction sur les pales, ce qui fait tourner la roue. L'énergie hydraulique est alors convertie en énergie mécanique, et l'eau s'écoulant de la roue est évacuée par le tube d'aspiration en aval. Parmi ces turbines, les turbines à écoulement axial, dont font partie les turbines bulbes, jouent un rôle crucial pour les faibles hauteurs de chute.
Structure et composants des turbines à réaction
La partie enterrée, comprenant la volute, le siège, l'aspirateur, etc., est entièrement enfouie dans la fondation en béton. Elle fait partie des éléments de dérivation et de débordement de l'unité. La fonction de la chambre de dérivation d'eau est de faire circuler l'eau uniformément dans le mécanisme de guidage de l'eau, de réduire la perte d'énergie du mécanisme de guidage de l'eau et d'améliorer l'efficacité de la roue hydraulique.
Le mécanisme de guidage de l'eau est généralement disposé uniformément autour du patin, avec un certain nombre d'aubes de guidage profilées et leurs mécanismes rotatifs. La fonction de la composition est de guider le flux d'eau dans le canal de manière uniforme et, en ajustant l'ouverture de l'aube directrice, de modifier le débordement de la turbine en fonction des exigences de réglage et de changement de charge du générateur. Les mécanismes de guidage d'eau de grande et moyenne taille peuvent être classés en cylindriques, coniques (turbines à bulbe et à flux oblique) et radiaux selon la position de l'axe des aubes directrices.
Petite turbine Kaplan
Évolution vers les turbines à pas variable : Le modèle Kaplan
Les turbines Kaplan ont été développées pour la première fois en 1913 par le professeur autrichien Viktor Kaplan. La turbine Kaplan se distingue des turbines à hélice à pales fixes car les pales peuvent être orientées dans leurs supports ; la turbine Kaplan est donc une turbine à pas variable. Les turbines Kaplan convertissent l'énergie potentielle en énergie mécanique. La turbine Kaplan est très similaire dans sa conception à l'hélice d'un navire.
Comparées à d'autres types de turbines hydrauliques, telles que les turbines Pelton et les turbines Francis, les turbines Kaplan sont capables de fonctionner à très faibles hauteurs de chute et à des débits élevés. Les turbines Kaplan sont des turbines à réaction, elles fonctionnent avec un corps d'eau complet des deux côtés aspiration et pression de la turbine. Faire tourner les pales de la roue Kaplan change l'angle d'attaque (l'angle auquel la pale coupe l'eau), ce qui augmente l'efficacité des turbines lors du fonctionnement à des débits variables.
Matériaux composites et avancées technologiques
La réalisation d'aubes en matériau composite pour des turbomachines a déjà été proposée. Par ailleurs, pour la réalisation de pièces structurales de turbomachine exposées en service à des températures élevées, l'utilisation de matériaux composites thermostructuraux et notamment de matériaux composites à matrice céramique (CMC) a déjà été proposée. En effet, par rapport à des alliages métalliques, de tels matériaux peuvent présenter une tenue améliorée aux températures élevées et ont une moindre masse.
Dans le cadre des aubes de compresseur et de turbine, l'invention est applicable à différents types d'aubes de turbomachine à plateformes et/ou talon intégrés. L'aube peut être en un matériau composite à matrice céramique. Selon la présente invention, il est proposé aussi une aube de turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. L'aménagement de zones de déliaison permet une mise en forme de la préforme fibreuse sans coupe de fils de liage, une telle coupe pouvant amoindrir la tenue mécanique du renfort fibreux, donc de l'aube fabriquée.
Maintenance, érosion et solutions de réparation
Les composants de manutention des fluides (notamment les conduites forcées, les palettes et les turbines) peuvent souffrir de dommages de corrosion, d'érosion et de cavitation qui sont susceptibles de causer des détériorations et d'avoir des conséquences coûteuses telles que des temps d'arrêt prolongés. Les solutions Belzona pour l'énergie hydroélectrique éliminent la corrosion en isolant le métal de l'environnement et réduisent aussi les effets de la cavitation et de l'érosion grâce à des revêtements et des composites résistants à l'érosion.
La cavitation est l'un des problèmes qui touchent l'équipement de manutention des fluides tel que les roues de turbine et les directrices. Belzona offre une solution à long terme pour prévenir les dommages de cavitation grâce à une technologie avancée basée sur du polyuréthane. Ceci crée une barrière durable mais flexible entre le fluide et le métal, qui résiste aux chocs d'implosion des bulles de cavitation et protège ainsi l'équipement de traitement des fluides. Belzona 2141 (ACR-Fluid Elastomer) est un revêtement en polyuréthane qui est éprouvé depuis 10 ans pour la résistance à la cavitation.
Optimisation de la durée de vie des actifs
Le profil d'origine et les dimensions exactes des pièces métalliques peuvent être reconstruits avec les composites de réparation durable Belzona. La reconstruction peut être réalisée rapidement avec des matériaux appliqués à froid qui ne déforment pas le substrat. Belzona 1111 (Super Metal) ou Belzona 1311 (Ceramic R-Metal) sont typiquement utilisés pour la reconstruction.
Les matériaux Belzona peuvent résister à des forces d'érosion pendant une durée très longue. Les reconstructions Belzona peuvent ainsi être considérées comme une solution à long terme, beaucoup d'actifs restant en service 10 ans de plus que la durée initialement prévue. L'application in situ permet un retour en service rapide. Ces matériaux ne nécessitent aucun outil spécialisé et sont appliqués à froid, ce qui élimine le recours au travail à chaud potentiellement dangereux.
Surveillance et maintenance prédictive
Avec les avancées technologiques, la maintenance des turbines repose de plus en plus sur des techniques de surveillance avancées comme l’analyse vibratoire et l’utilisation de capteurs IoT. Ces systèmes permettent de détecter des anomalies avant qu’elles ne provoquent des pannes majeures. L'équilibrage de la turbine consiste à ajuster le rotor afin de réduire les oscillations. Une turbine en bon état assure un rendement optimal, limite les surtensions et améliore la durée de vie des installations.
La détérioration des surfaces de béton causée par l'érosion peut être réparée rapidement avec la gamme de produits non poreux Magma de Belzona. Les composites de réparation polyvalents et multi-usages Belzona 4111 (Magma-Quartz) ou Belzona 4131 (Magma Screed) peuvent facilement être utilisés pour resurfacer, reconstruire et protéger les ouvrages en béton et en pierres. Ils confèrent une protection excellente contre l'abrasion, les chocs et les attaques chimiques.
Diversité des applications industrielles des composites
Belzona offre une gamme variée de matériaux conçus pour simplifier la maintenance de l'équipement et des bâtiments. De l'étanchéification des fuites dans les transformateurs électriques aux réparations de sols et de murs, Belzona représente le premier choix au niveau mondial pour la maintenance de l'équipement et des structures dans l'industrie hydroélectrique depuis 1952.
Les fuites d'huile de transformateur et de SF6 peuvent être réparées de façon permanente avec des composites et des revêtements tolérants de l'état de surface. Les isolateurs en céramique endommagés peuvent être restaurés in situ. Les revêtements à base d'époxy pour sols, les systèmes et les revêtements antidérapants sont conçus pour protéger durablement et réduire les risques. Les membranes pour toitures peuvent étanchéifier de très nombreux contours et matériaux de toiture. Les membranes sont perméables à l'air et durablement imperméables à l'eau. Les systèmes de CVC sont réparés et protégés en utilisant des composites de réparation et des revêtements à base d'époxy.