Construction mécanique

Roue Pelton

rou-pelton-shema-specificationComme nous l’avons vu dans la section consacrée aux différents types de turbines hydrauliques, la technologie Pelton est la plus adaptée à la topologie de mon site. J’ai cherché à acquérir une roue sachant qu’il était illusoire d’essayer d’en fabriquer une vu la complexité des formes.
Au fil de mes recherches, mon choix s’est arrêté sur une roue moulée en résine epoxy d’un diamètre primitif de 114 mm, possédant 16 augets. Les informations concernant cette roue étaient succinctes :

  • Impeller Material: Cast Epoxy Resin Composite
  • Diameter: 133 mm
  • Shaft Diameter: 16 mm
  • Key way Width: 4.76 mm ( 3/16th inch)
  • Hub Depth: 22 mm
  • Nozzle Alignment: 57 mm tangentially to centre of shaft

J’ai acheté 2 de ces roues en 2013 sur un site Australien (Rainbow Power Company) pour environ 140 Euros. (70 Euros l’unité). Aux dernières nouvelles il n’avait plus de roue en stock.

Vous trouverez cependant aujourd’hui d’excellents produits sur Ebay pour environ 50 Euros. Je pense notamment à ce revendeur qui propose une roue d’un diamètre primitif de 85 mm (extérieur de 117 mm), comprenant 16 augets, acceptant un jet de 11 mm et supportant 16 bars de pression.

Bâti

Le bâti de la turbine a été entièrement réalisé en aluminium à partir de profilé mesurant 25 x 55 mm de section. L’assemblage des différents éléments est assuré par des vis CHC. Les 4 pieds qui supportent le bâti sont des tyrans Inox.

Conception et construction mécanique d'une pico turbine hydroélectriqueLa roue est montée verticalement, portée par un axe (A) placé horizontalement sur le bâti entre les flancs (B). Deux roulements assurent la rotation de l’ensemble arbre/roue par rapport au bâti. Le montage de roulement à les caractéristiques suivantes :

  • Montage en « X »
  • Ø de la bague intérieure du roulement = 12 mm
  • Ø de la bague extérieure du roulement = 28 mm
  • Ajustement sur bague intérieure = H7p6 (ajustement serré, l’utilisation d’une presse est obligatoire pour le montage)
  • Ajustement sur bague extérieure = H7h6 (ajustement « ajusté », le montage est possible à la main mais l’utilisation d’un maillet à de grande chance de s’imposer).

Les deux injecteurs sont positionnés de manière opposée, supporté par les supports d’injecteurs (D). Le premier jet rencontre la roue sur sa tangente haute alors que le second frappe la roue sur sa tangente basse (diamètre primitif de la roue ou diamètre Pelton).

Injecteurs

pico-turbine-pelton-bati-profilJ’ai choisi d’équiper la turbine de 2 injecteurs pour la souplesse d’utilisation. Cela me permet de modifier le couple en jouant sur le débit. Cela me permet également de réguler la puissance de la turbine.

Sur la photo présentée à gauche, on peut voir les deux injecteurs en place  (I) ainsi que 3 jeux d’injecteurs de différents diamètres posés devant la turbine.

Injecteurs basiques

tube-de-cuivreDans un premier temps, j’ai réalisé des injecteurs à partir de tuyaux de cuivre servant à l’alimentation en eau de nos habitations. C’est la solution la plus simple à mettre en oeuvre car tous les éléments se trouvent  facilement dans les magasins de bricolage. On prendra du cuivre en barre (écroui mais pas recuit) pour faire office d’injecteur.

 

raccord-union-biconeLe tube (injecteur) est maintenu par un raccord à union bicône. Au moment du serrage, l’olive est rétreinte sur le tube et l’étanchéité est obtenue par contrainte de la matière. L’alignement de l’injecteur est parfait à la différence des raccords à joint mixte dont je déconseille l’utilisation pour cet usage (étant donné que le maintien en position du tube est obtenu par écrasement de la rondelle ressort sous l’action de serrage de l’écrou).

Injecteurs profilés

Dans un deuxième temps, j’ai usiné des injecteurs profilés en aluminium. J’utilise toujours les raccords à union bicône comme supports pour les injecteurs. Si les injecteurs sont profilés intérieurement (section décroissante), le diamètre du jet sera égale au diamètre de l’orifice. Dans le cas d’une rupture brutale de diamètre (non décroissante), il y a lieu d’appliquer un coefficient de contraction de l’ordre de 0.6.

Transmission

J’ai choisi de coupler l’arbre à la génératrice via une transmission indirecte de type poulie-courroie afin de pouvoir moduler la vitesse de rotation et le couple en fonction du diamètre des poulies utilisées.

pico-turbine-pelton-poulieL’image présentée à gauche montre la turbine équipée d’un petit moteur à courant continu (M). La liaison entre l’arbre le moteur est assurée par une courroie crantée (1) et deux poulies aluminium (P).

Initialement, la poulie en sortie d’arbre était vissée directement sur l’arbre (M10), ce qui, d’un point de vue mécanique était une totale hérésie au niveau du centrage de la poulie sur l’arbre. Bilan : la poulie ne tournait pas rond. J’ai rapidement résolu le problème en supprimant le filetage en bout d’arbre. La poulie est désormais parfaitement centrée sur l’axe tout en étant maintenue  à l’aide d’un grain (M6).

poulie-dentee-alu-XL037J’ai choisi la norme XL 037 en fonction de l’effort à transmette et de la vitesse de rotation en sortie d’arbre. Les premières courroies que j’ai utilisée ne tenaient pas plus de 8 heures avant de rompre. La solution à été d’adopter des courroies renforcées.

Ces ruptures de courroies étaient dues à un mauvais alignement de la poulie moteur par rapport à la poulie connectée à l’arbre ainsi qu’une tension de la courroie trop élevée.

Construction mécanique

Dessin d’ensemble

Ensemble-bati-roue-pico-turbine-hydroelectrique-M

arbre

Arbre-pico-turbine-hydroelectrique-M

flancs

Flancs_arbre-02-pico-turbine-hydroelectrique-M

Flanc-arbre-01-pico-turbine-hydroelectrique-M

supports injecteurs

supports_injecteurs-pico-turbine-hydroelectrique-M

Améliorations à apporter

  • Carrénage en plexiglas bruyant
  • Roulement non protégé côté roue, prévoir une flasque de protection (usure prématuré)
  • Roulement peut-être un peu sous-dimensionné (usure prématuré)