Guide complet des tubes d'aspiration (draft tubes) : conception, fonction et applications

Les tubes d'aspiration (draft tubes) sont des composants essentiels de la plupart des turbines : Kaplan, Francis et turbines à réaction. Ce composant est un tuyau à section croissante progressive reliant la sortie du rotor au canal de fuite (tailrace). Ses deux extrémités : l'une connectée à la sortie du rotor, l'autre immergée sous le niveau d'eau du canal de fuite. Dans ce composant, l'énergie cinétique est convertie en pression statique.

Cet article couvre la définition, applications, fonctionnement, schémas, types, principe de fonctionnement des tubes d'aspiration, ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Qu'est-ce qu'un tube d'aspiration ?

Un tube d'aspiration est un tuyau de raccordement généralement installé à la sortie d'une turbine pour convertir l'énergie cinétique de l'eau à la sortie en pression statique. Ce composant évite le gaspillage de l'énergie cinétique de l'eau. Dans un tube d'aspiration, le diamètre est plus petit près de l'entrée et plus grand à la sortie. Cette sortie est toujours immergée dans l'eau. L'acier moulé et le béton ciment sont les matériaux utilisés pour sa fabrication.

Comme mentionné, les tubes d'aspiration sont généralement utilisés dans les turbines de puissance : réaction, Kaplan, Francis. Le système est situé juste sous le rotor et permet de décélérer la vitesse d'écoulement sortant du rotor.

Les tubes d'aspiration sont utilisés dans les turbines pour éviter le problème de refoulement (backflow), c'est pourquoi ils sont situés entre la sortie de la turbine et le canal de fuite. Les turbines comme Pelton ou à impulsion n'ont pas besoin de tube d'aspiration car la hauteur de chute disponible est très grande. Cela entraîne une pression au-dessus de l'atmosphérique à la sortie de la turbine. Du fait de cette pression supra-atmosphérique, le refoulement d'eau ne se produira jamais.

Applications des tubes d'aspiration

Les applications dans les turbines ont été mentionnées ci-dessus. Ils servent à augmenter la pression de la basse pression de sortie de turbine à la pression ambiante vers laquelle le fluide est rejeté. La fonction primaire : convertir l'énergie cinétique de l'eau en énergie de pression, diminuer la vitesse de l'eau et augmenter sa pression avant de rejoindre le canal de fuite. Ce tuyau augmente progressivement la section transversale.

Schéma d'un tube d'aspiration :

Tube d'aspiration dans turbine Kaplan.

Types de tubes d'aspiration

Tube d'aspiration conique :

Écoulement droit et divergent. Généralement en tôle d'acier doux, forme conique avec diamètre extérieur supérieur à l'entrée. L'angle conique n'est pas trop large pour éviter la divergence de l'écoulement par rapport à la paroi. L'angle ne doit pas être trop court non plus, car un tube plus long est nécessaire pour offrir une perte substantielle d'énergie cinétique.

Tube d'aspiration coudé simple :

Forme de coude. Souvent utilisé en turbine Kaplan. La section transversale reste constante sur toute la longueur, entrée et sortie circulaires. Utilisés en position de faible chute, turbine montée près du canal de fuite. Minimise les coûts de forage et le diamètre de sortie est aussi large que possible pour récupérer l'énergie cinétique à la sortie du rotor.

Tube d'aspiration Moody :

Sortie divisée en deux sections, une entrée. Similaire au tube conique. Réduit le mouvement tourbillonnaire de l'eau.

Tube d'aspiration coudé à section variable :

Amélioration du tube coudé simple. Entrée circulaire, sortie rectangulaire. Généralement, la section horizontale est inclinée vers le haut pour empêcher l'air d'atteindre la zone de sortie. La section varie de l'entrée à la sortie. La sortie est sous le canal de fuite.

Fonctionnement des tubes d'aspiration

Le fonctionnement dans une turbine est simple à comprendre. Pour les turbines Kaplan et Francis, la hauteur de chute à l'entrée est faible, plaçant la turbine beaucoup plus près du canal de fuite pour obtenir une hauteur maximale. La majeure partie de la pression de l'eau est convertie en énergie mécanique de la turbine. La charge de pression à la sortie de la turbine est inférieure à la pression atmosphérique.

Le refoulement peut se produire car la sortie de la turbine est près du canal de fuite et la pression de l'eau à la sortie est inférieure à la pression atmosphérique. Cela se produit car l'eau s'écoule de la haute pression vers la basse pression : à la sortie de la turbine, pression < atmosphérique ; au canal de fuite, pression atmosphérique.

Ce refoulement peut causer de graves dommages à la turbine et ses pièces, entraînant une panne totale. Pour éviter ce problème, un tube d'aspiration est utilisé entre la sortie de la turbine et le canal de fuite. Il augmente la pression de l'eau jusqu'à la pression atmosphérique.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement du tube d'aspiration :

Application du principe de Bernoulli aux sections 1-1 et 2-2

[Charge de pression + Charge de vitesse + Charge d'élévation]_1-1 = [Charge de pression + Charge de vitesse + Charge d'élévation]_2-2

Soit
P₁ = pression du fluide en section 1-1 (entrée du tube d'aspiration)
V₁ = vitesse du fluide en section 1-1
De même,
P₂ = pression du fluide en section 2-2 (sortie du tube d'aspiration)
V₂ = vitesse du fluide en section 2-2
ρ = masse volumique du fluide
g = accélération de la pesanteur
h_f = perte de charge (énergie) dans le tube d'aspiration
H_s = hauteur verticale du tube d'aspiration au-dessus du canal de fuite
y = distance du fond du tube d'aspiration au canal de fuite
P_a = pression atmosphérique du fluide.

( P₁ / ρg ) + ( V₁² / 2g ) + ( H_s + y ) = ( P₂ / ρg ) + ( V₂² / 2g ) + ( 0 + h_f )
( P₁ / ρg ) = ( P₂ / ρg ) – ( H_s + y ) + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

La charge de pression en section 2–2 est égale à la charge de pression atmosphérique plus la distance y.
( P₂ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y – H_s – y + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

En réarrangeant pour notre besoin (prise du "–" en commun au milieu du second membre)
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s – [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ]

Dans l'équation ci-dessus [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ] est appelé charge cinétique.
Ici [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) ] est la charge dynamique.
D'après l'équation, on peut écrire
( P₁ / ρg ) < ( P_a / ρg )
Donc P1 < Pa

La charge de pression à l'entrée du tube d'aspiration ou à la sortie de la turbine est inférieure à la pression atmosphérique. Ainsi, la hauteur nette sur la turbine avec le tube d'aspiration augmente.

Avantages et inconvénients des tubes d'aspiration

Avantages :

• Empêche les éclaboussures d'eau du rotor et conduit l'eau directement au canal de fuite
• L'énergie cinétique requise au canal de fuite est fortement diminuée
• Performance du système augmentée
• La hauteur de chute de la turbine est augmentée par l'élévation de la hauteur entre la sortie de la turbine et le canal de fuite

Inconvénients :

Les seuls inconvénients sont le poids supplémentaire ajouté au système et le coût initial élevé du tube d'aspiration.

Conclusion

Le tube d'aspiration est un composant essentiel de la plupart des turbines : Kaplan, Francis et turbines à réaction. C'est un tuyau à section croissante progressive reliant la sortie du rotor au canal de fuite. Son but : convertir l'énergie cinétique de l'eau à la sortie en pression statique. Cet article a couvert la définition, applications, fonction, types et fonctionnement des tubes d'aspiration.

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