C’est une activité dans le domaine des sciences de l’ingénieur qui est culturellement proche de G-INP (tous les membres de l’équipe enseignants chercheurs à Ense3 y participent). Elle concerne les turbines hydrauliques classiques ou des turbines émergentes pour les filières hydrolienne et éolienne. Dans le premier des cas les recherches s’attachent à reproduire les écoulements instationnaires 3D complexes dans ces machines. Dans le second cas elles visent à proposer et à optimiser de nouvelles machines et à étudier la problématique de leur mise en parc. Cet axe concentre les collaborations avec les grands groupes industriels (EDF, GE/Alstrom, CNES, SNECMA, Artelia, Cetim) et bénéficie d’un flux de doctorants important (9 thèses soutenues, 4 en cours, 2 post-doctorats). Des interactions existent avec les équipes Most et Meige. Cet axe a été renforcé en 2018 par le recrutement de P.-L. Delafin (MCF – G INP).
Une turbomachine est une machine permettant un échange d’énergie entre sa partie solide tournante et un fluide extérieur. Cette définition concerne les machines hydrauliques conventionnelles (pompes et turbines, inducteurs) et les nouveaux systèmes que sont les hydroliennes destinées à exploiter l’énergie des courants marins et fluviaux. Les recherches menées dans notre équipe sur les turbomachines sont des actions de recherche mixtes avec des partenaires industriels. Le défi de la transition énergétique a redynamisé cette activité. Le défi de cette recherche est de pouvoir reproduire et prédire les écoulements 3D instationnaires se développant dans ces machines lorsqu’elles subissent des conditions de fonctionnement pour lesquelles elles n’ont pas été conçues. Concernant les machines hydrauliques conventionnelles, il faut répondre au besoin d’accroitre leur flexibilité en les utilisant dans une plage pression – débit éloignée de leur point de fonctionnement. C’est le cas par exemple pour le fonctionnement à charge partielle des turbines, destiné à compenser l’intermittence des sources renouvelables (éolien, hydrolien, hydrodynamique), ou pour le passage entre les modes pompage et turbinage. Ces variations des conditions de fonctionnement conduisent à des régimes hydrodynamiques instables ainsi qu’à une augmentation des sollicitations dynamiques sur les parties solides des machines, avec ou sans apparition de cavitation. Concernant les hydroliennes, l’optimisation du profil des aubes est également un sujet crucial. A l’échelle du parc, l’interaction machines – sillages est étudiée pour optimiser son architecture. A plus grande échelle, une question importante concerne l’impact environnemental des parcs marins d’hydroliennes ou d’éoliennes de grande dimension sur les courants marins ou aériens, ainsi que sur l’écosystème. De nouvelles générations de turbomachines sont également étudiées d’un point de vue purement thermodynamique, et ceci constitue une thématique nouvelle pour le LEGI.
En 2016 s’est tenu à Grenoble le 28ème symposium sur les machines et systèmes hydrauliques organisé par R. Fortes-Patella (G-INP, SHF) sous l’égide de l’International Association for Hydro-Environment Engineering (IAHR), et qui a rassemblé 330 participants issus de 32 pays.
Le bilan des travaux des membres de l’équipe concernés par cet axe est le suivant.
Les écoulements instationnaires turbulents dans des géométries complexes, en régime cavitant et non cavitant, ont été étudiés numériquement (C. Jacquet, U. Jese, B. Charrière, avec le soutien de l’Institut de Transition Energétique Supergrid – GE/Alstom, l’Université de Ljubliana) ; des calculs inédits en régime de cavitation ont été faits pour des turbines Kaplan en mode de pompage (F. Turi). Une thèse a également été consacrée à l’étude de méthodes expérimentales d’identification et à la validation de modèles de simulation de fonctions de transfert de systèmes cavitants et de dispositifs amortisseurs POGO (A. Simon, CNES / Snecma). Dans ce cadre, la méthode expérimentale dite des ‘3 capteurs’ a été utilisée pour mesurer la célérité du son en milieu mono- et diphasique, sur une plage comprise entre 100 m/s et 1400 m/s [Simon et al. 2016].
Des travaux numériques et expérimentaux ont quant à eux concerné les écoulements à charge partielle dans les turbines Francis, afin de mettre en évidence les vortex inter aubes et de mettre en place un modèle de fatigue des pales (S. Bouajila FUI ‘Plateforme’ porté par GE). Les expériences, menées sur un modèle réduit instrumenté, ont permis de conclure que l’écoulement modélisé s’accordait avec les observations de la position des vortex interaubes ainsi qu’avec l’amplitude des fluctuations de pression (à l’exception toutefois des fluctuations à hautes fréquences). Le taux d’endommagement par fatigue attribué aux vortex inter aubes est très nettement supérieur à celui dû par exemple au phénomène de torche. Cela confirme la dangerosité des vortex inter aubes lors des régimes de fonctionnement à débit très partiel.
La modélisation 3D de parcs d’hydroliennes à flux transverse (G. Mercier, V. Clary) associée à des essais en tunnel hydrodynamique a démontré que la turbulence amont réduit la dépendance en Reynolds de la puissance délivrée par la turbine. Le sillage de la turbine est peu sensible à la turbulence amont, et le couple et la trainée sont calculés avec une bonne précision ; le sillage obtenu par modélisation se compare bien à l’expérience au delà d’une distance égale à quatre fois le diamètre de la turbine, mais la vitesse est surestimée dans le sillage proche (V. Clary, T. Oudart, financement ANR EMR-ITE). Une campagne d’essais sur une turbine à flux axial est en préparation.
L’interaction fluide – structure pour des hydroliennes à flux transverse à voilure déformable est également un thème abordé par l’équipe ; si les profils flexibles diminuent le risque d’endommagement par fatigue, ils s’accompagnent souvent d’une diminution de la puissance restituée. Le défi est d’aboutir à une optimisation de ces structures. Les essais réalisés en tunnel au LEGI sur des profils oscillants flexibles ont conduit à une augmentation de la force motrice pour un effort de flexion inchangé. Un code de calcul modélisant l’interaction fluide-structure sur un profil souple oscillant est en développement, en collaboration avec l’Université de Magdebourg (S. Hoerner).
Enfin, deux démarches de valorisation ont été entreprises, grâce au soutien de la SATT Linksium. La première, concernant une hydrolienne à flux transverse d’un type nouveau (principe breveté en 2017, extension PCT en 2018, soutien de l’Institut Carnot), en est à la preuve de concept. La plateforme Coriolis servira de bassin de traction pour la maquette associée. Le rendement mesuré de l’hydrolienne conditionnera alors la recherche de financeurs pour une industrialisation de l’appareil. La seconde démarche, concernant l’étude d’hydroliennes et éoliennes flottantes à turbines jumelles à axe vertical, inspirées d’un nouveau design breveté des chercheurs du LEGI (équipe Most et Energétique), a abouti à une architecture optimale permettant une vraie rupture technologique. Elle constitue un des faits marquants de l’équipe, puisque toutes les étapes d’invention, de maturation et de développement pilotées par les membres du LEGI ont été franchies avec succès (N. Guillaud, M. Guilhot, G. Maurice financement ANR EMR-ITE).
L’optimisation énergétique des machines concerne également leur fonctionnement thermodynamique. Les cycles de Rankine à fluide organique sont pertinents lorsque l’on dispose d’une source chaude qui est à basse ou à moyenne température (< 300°C) : centrales géothermiques, combustion de biomasse, récupération de chaleur sur des effluents. Les inconvénients qui limitent le déploiement d’une telle technologie sont d’une part la performance énergétique du cycle thermodynamique et d’autre part les contraintes environnementales causées par l’utilisation de certains fluides organiques. Nous étudions (en collaboration avec le CEA) une nouvelle voie qui permettrait de juguler ces deux difficultés : le recours à un mélange de fluides à la place d’un fluide pur comme fluide de travail (mélanges zéotropes). Une technologie de turbine spécifique a pu être mise en œuvre expérimentalement avec un fluide de travail de nouvelle génération très intéressant d’un point de vue environnemental (Q. Blondel).
(N. Caney, S. Barre, P-L Delafin, E. Goncalvès, F. Jousselin, R. Fortes – Patella, T. Maitre, C. Pellone)