Vis hydrodynamique et Kaplan
Application aux très basses chutes
Par Riwan DUGUE (janvier 2021)
Sommaire
Caractéristiques des Vis et Kaplans
- Diagramme Chute / Débit des moyens de production
- Rendements global comparés entre Vis et Kaplans
Description des vis
- Histoire
- Description
- Réglage du débit turbiné
- Vitesse de rotation
- Ichtycompatibilité
- Passage des flottants
- Chaine d’énergie
- Les points d’attention à avoir
- Exemple du moulin de Wanlin
Description des Kaplans
- Histoire
- Description
- Réglage du débit turbiné
- Vitesse de rotation
- Ichtycompatibilité
- Passage des flottants
- Chaine d’énergie
- Exemple du moulin de Chassy (Kaplan DR)
Comparaison Vis / Kaplan
Les tarifs des turbines/vis
Les constructeurs / installateurs
Caractéristiques des Vis et Kaplans
- Diagramme Chute / Débit des moyens de production :
- Rendements global comparés entre Vis et Kaplans :
Rq : Kaplan DR = Directrices réglables / Kaplan DF = directrices fixes
Description des vis
- Histoire
- Description
Les Vis hydrodynamiques sont des machines gravitaires, c’est le poids de l’eau qui permet leur rotation.
Dans une vis, il n’y a pas d’accélération de l’eau lors de son cheminement et le débit absorbé est donc
directement lié au diamètre de la vis.
Les vis sont étudiées pour une chute précise et leur bon positionnement altimétrique est donc très important.
- Réglage du débit turbiné
Par conception, les vis ne permettent pas de réglage de débit autrement que par une variation de la vitesse de rotation.
L’installation d’un variateur de vitesse (redresseur-onduleur) est donc indispensable dans la majorité des cas d’utilisation.
- Vitesse de rotation
La vitesse nominale de rotation d’une vis est située entre 20 et 30 Tr/min. Cela rend obligatoire l’utilisation d’un multiplicateur de vitesse. Les couples transmis sont très élevés.
- Ichtycompatibilité
La grande section de passage de l’eau, l’écoulement gravitaire à faible vitesse et les faibles zones de coincement (entre périphérie de la spire et auge uniquement) donnent à la vis son caractère ichtyophile.
- Passage des flottants
Les vis ont une capacité importante a laisser passer les déchets flottants de petite taille sans conséquence sur la production.
Ceci permet de se passer d’une grille fine et d’un dégrilleur automatique (des interventions sont néanmoins nécessaires pour la gestion des flottants de grande taille).
- Chaine d’énergie
Pour les raisons précédemment citées, la chaine de conversion d’énergie est complexe ce qui fait baisser le rendement global de l’installation.
Il est à noter que l’utilisation d’un convertisseur de fréquence permet de limiter la pointe d’intensité au couplage ce qui supprime des chocs mécaniques.
- Les points d’attention à avoir :
- Accès au palier inférieur qui est immergé pour entretien et maintenance
- Risque d’emballement, Frein, vanne de garde
- Très fort couple = Dimensionnement mécanique très important
- Bruit très important si mauvaise implantation
- Implantation et réglage de l’inclinaison cruciale – inclinaison variable ?
- Grille de protection autour de la vis pour la sécurité des personnes
- Protection du bord d’attaque de la première spire
- Exemple du moulin de Wanlin
Longueur utile: 3.360 mm
Diamètre: 2.200 mm
Inclinaison: 22°
Poids: 6 tonnes
Débits turbinés: 0,3 à 2,2 m³/s
Chute : 1,26 m
Vitesse de rotation: 32 rpm
Puissance : 19kW
Description des Kaplans
- Histoire
Les turbines Kaplan ont été conçues en remplacement des turbines Francis avec le souhait de diminuer le coût matière, d’améliorer le rendement et la plage de fonctionnement en bas débit.
- Description
Les turbines Kaplan sont des machines à réaction, elles travaillent en pression ET en dépression ce qui leur permet de récupérer la totalité de la chute quelle que soit la variation de niveau d’eau.
Dans une turbine, il y a une accélération de l’eau lors de son cheminement comme dans le cas d’une chute libre.
Le débit absorbé est donc directement lié à la hauteur de la chute. Il est pénalisé par les remontées aval en cas de crue.
Ceci permet à une même machine de pouvoir être adaptée sur des chutes différentes permettant une certaine standardisation de la fabrication.
On retrouve principalement 3 technologies :
Kapkan DR
Directrices Réglables / Double Réglage
Kaplan DF (Dit aussi SR)
Directrices Fixes / Simple Réglage
Kaplan Hélice
Pales et directrices sont réglables
en fonctionnement
Seules les pales sont réglables en
fonctionnement
Aucun réglage possible en
fonctionnement
Complément sur les implantations possibles
Verticale en chambre d’eau ouverte
Verticale en chambre d’eau fermée
Axiale inclinée
Axiales en siphon
Kaplan DR Kaplan DF Kaplan Hélice
Exemple turbine WATEC
37kW, H=1,5m, Q=2,82m3/s
Exemple turbine ANDRITZ mini
22+9=31kW, H=2,7m, Q=1,6m3/s
Exemple turbine Turbiwatt
9+9=18 kW, H=1,8m, Q=1,4m3/s
3.3. Réglage du débit turbiné
Kaplan DR Kaplan DF Kaplan Hélice
Variation de l’angle d’inclinaison des
directrices et des pales
Variation de l’angle d’inclinaison
des pales
Débit absorbé fixe
Rendement très bon sur une très large
plage de débit
Trés bon rendement mais qui
diminue lorsque l’on réduit le débit
turbiné
Utilisation de 2 turbines
dimensionnées pour absorber 1/3
et 2/3 du débit
Utilisation d’un variateur de
vitesse possible
Le rendement s’écroule si le débit
n’est pas celui prévu au réglage
initial
Utilisation de plusieurs turbines
en // comme seule solution avec
possibilité de fermer l’admission de
chacun.
L’utilisation d’une turbine hélice suppose un débit constant et donc un moulin dérivant un débit très inférieur
au module de la rivière.
3.4. Vitesse de rotation
La vitesse nominale de rotation d’une kaplan est généralement de plusieurs centaines de tours par minute ce qui
permet de ne pas utiliser de multiplicateur de vitesse mais de n’utiliser qu’une simple courroie ou même parfois
un entraînement direct.
La vitesse de rotation élevée permet d’éviter d’avoir des couples trop importants à transmettre.
3.5. Ichtycompatibilité
Les moulins équipés de turbines ne sont considérée comme ichtyophile qu’a condition d’installer une grille fine
et une goulotte de dévalaison en amont de la chambre d’eau.
3.6. Passage des flottants
Les turbines acceptent mal le passage de flottant. L’utilisation d’une grille fine est obligatoire et son bon
dimensionnement est important afin de minimiser les pertes de charges. L’utilisation d’un degrilleur performant
est essentiel et l’évacuation des dégrillats doit être prise en compte.
3.7. Chaine d’énergie
La chaine d’énergie est extrêmement simple ce qui participe à l’excellent rendement global des kaplan.
La vitesse élevée permet un entrainement direct (ou avec une simple courroie) de la génératrice et le courant
peut être directement injecté au réseau sans transformation.
3.8. Exemple du moulin de Chassy (Kaplan DR)
Constructeur : WATEC Débits turbinés: 3,6 m³/s
Puissance : 69,1kW Chute : 2,4 m
4. Comparaison Vis / Kaplan
Vis Hydrodynamique VS Kaplan
Rendement complet Vis : bon rendement
Kaplan (+) : Excellent rendement
(grâce à la vitesse de rotation élevée + réglage du débit mécanique)
Plage de fonctionnement Vis : Bon rendement sur l’ensemble de la plage des débits
Kaplan : Bon rendement sur l’ensemble de la plage des débits par
l’emploi d’une Kaplan DR ou d’un cumul de plusieurs Kaplans DF (en
1/3 – 2/3 par exemple)
Kaplan Helice (-) : Pas de flexibilité donc impossible de courvir
correctement une plage de débit importante
GC Vis : Peu de travaux de GC nécessaires car pas de chambre d’eau à
construire
Kaplan DR (-) : en très basse chute (<1,5m), pas de kaplan DR sous
bâche, obligation de construction d’une chambre d’eau spirale en
béton.
Kaplan DF : Peu de travaux de GC necessaires pour des kapan Helice
ou DF existantes mais nécessité d’avoir alors plusieurs machines
pour couvrir une large plage de débit.
Grille et Dégrilleur Vis (+) : La vis est tolérante au passage de flottants, grille a
espacement large et dégrilleur inutile selon présence sur site.
Kaplan : Grille fine et dégrilleur nécessaire
Dévalaison Vis : Considéré Ichtiocompatible par l’administration, aucune
obligation
Kaplan : Grille fine et goulotte avec débit de dévalaison
généralement imposés
Fiabilité Vis : Technologie relativement récente mais réputée fiable si bien
construite
Kaplan DR : Technologie fiable malgrés le grand nombre de pieces
en mouvement
Kaplan DF : Technologie fiable, moins de pièces en mouvement que
sur une kaplan DR
L’utilisation de 2 machines en // permet en outre en cas de panne
de garder une production.
Allure / Nuisances Vis(-) : mécanisme visible, avantage didactique mais qui peut être
considéré comme disgracieux. Bruyant.
Kaplan : Très bonne intégration des installations dans l’existant,
respect de l’allure historique des bâtiments
Entretien mécanique Vis : mécanique simple mais lourde et soumise à l’air tenue dans
le temps ? moyens de manutention ?
Kaplan DR : mécanique complexe mais immergée et abritée fiable
dans le temps mais compétences mécaniques spécifiques.
En résumé :
- La vis est la favori des administrations pour son caractère ichtyophile bien qu’une kaplan avec grille fine
et dévalaison soit également conforme
- La vis minimise la problématique de gestion des dégrillats qu’impose parfois l’administration
- La vis est peu sensible aux remontées aval en cas de crues
- La Vis est plus bruyante qu’une kaplan
- La Kaplan DR est techniquement la machine qui permet d’exploiter au mieux un site mais sa fabrication
et son installation « sur-mesure » la rend coûteuse en GC.
- La Kaplan DF peut être un compromis très intéressant par sa simplicité et les offres « standardisées »
existantes
- La Kaplan Helice est pertinente uniquement en paralelle d’une autre technologie ou dans le cas de
configurations précises avec débit constant. Sa simplicité et la rend compétitive.
5. Les tarifs des turbines/vis Entreprise consultée (date) Technologie Débit Chute Prix (HT)
Elléo (2017) Vis 1,5m3/s 1,4m 127keuros
Rehart (2017) Vis 1,5m3/s 1,4m 118keuros
Er3i/Landi(2018) Vis 2m3/s 1,4m 157keuros
Watec (2018) Kaplan DR 1,78m3/s 1,6m 100keuros
Andritz (2018) Kaplan DF 1,26m3/s 1,7m 90keuros
Andritz (2018) Kaplan DF 0,86m3/s 1,7m 84keuros
Ces tarifs incluent l’ensemble électromécanique et son contrôle commande hors transport et montage.
6. Les constructeurs / installateurs
Constructeurs VIS
Spaans-Babcock, Wamgroup-Roncuzzi, Andritz, Elléo, Rehart, Landustrie, Ritz-atro
Constructeurs Turbines
Watec, Turbiwatt, Andritz, Fugu, Powerpal
Installateurs / maitres d’oeuvre
Er3i (Wamgroup-Roncuzzi)