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Association de Défense et de Sauvegarde des Moulins Normands-Picards

Les Moulins : Patrimoine, Biodiversité, Energie

 

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


Voir le document sur le site d’Hydroxois


- 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.

Image extraite de la documentation commerciale ANDRITZ

- 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

 
 

Constructeur :

 

Etudes :

 

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)

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