1I08 PRODUCTION D'ENERGIE 1 - IND

Les finalités de l'UE

Cette Unité d'Enseignement (UE) vise à founir les éléments requis - à la fois sous l'angle théorique et pratique - pour la compréhension du fonctionnement des turbomachines à fluide incompressible (pompes, turbines hydrauliques, ventilateurs, éoliennes) ainsi que leur utilisation en relation avec leur environnement.

L'enseignement visé dans cette Unité se situe donc dans la continuité de celui de la Mécanique des fluides ainsi que de la Thermodynamique (UE B215). Il aborde par ailleurs certaines notions primordiales et indispensables pour accéder efficacement à d'autres Unités d'Enseignement telle que Production d'énergie 2 (UE 1I08bis) et Production d'énergie alternative (UE 2G080).

Les contenus de l'UE

Lorsque l'on est amené à organiser un échange d'énergie entre un fluide et un système mécanique, deux grandes familles de machines s'offrent à nous : 

• La première d'entre elles est constituée des machines volumétriques dans lesquelles le fuide actif subit une évolution temporelle au seind'un système fermé, et où l'échange de travail s'effectue au travers des contraintes de pression sur une frontière mobile du système.
• La seconde famille comprend les turbomachines dans lesquelles le fluide subit une évolution spatiale au sein d'un système ouvert, et où l'échange d'énergie s'organise au travers d'une partie fixe (stator) et d'une partie mobile (rotor) munie d'aubes.

Dans le cadre de ce cours, le fluide de travail considéré présentera une masse volumique constante (fluide dit incompressible, tel que l'eau ou l'air à température constante). Nous aborderons ainsi :

• les machines réceptrices (qui reçoivent du travail) telles que les ventilateurs et les pompes ;
• les machines motrices (qui fournissent du travail) telles que les éoliennes et les turbines hydrauliques.

Le cours débutera par l'introduction des équations de base régissant les écoulements au sein des turbomachines (conservation de la masse, de la quantité de mouvement, de l'énergie mécanique) ainsi que par la description du phénomène d'échange énergétique au sein d'une turbomachine (équations de Bernoulli et d'Euler). Nous aborderons également - de façon détaillée - les grandeurs spécifiques et relatives au bilan énergétique des machines motrices et réceptrices (hauteurs caractéristiques, rendements, pertes). Introduits à l'aide de l'analyse dimensionnelle, les invariants de Rateau nous permettront ensuite d'étudier la théorie des similitudes ; et de là prédire l'effet - en termes de performances énergétiques - de la modification de la vitesse de rotation sur une machine de géométrie donnée. Un volet particulier sera par ailleurs réservé aux phénomènes de cavitation dans les turbomachines, et plus spécifiquement dans les pompes. Le comportement général d'un réseau hydraulique sera ensuite abordé au travers des notions de pertes de charges, d'association et de régulation de pompes. La dernière partie du cours sera consacrée au fonctionnement de diverses turbines hydrauliques (Pelton, Francis, Kaplan, Banki, hydrolienne sous-marine et hydrolienne à flots).

Ces contenus théoriques seront enrichis par la résolution d'exercices appliqués à des cas pratiques. En outre, des séances de laboratoire offriront à l'étudiant.e l'opportunité de se familiariser avec les différentes machines étudiées (ventilateur, pompe centrifuge, éolienne, turbines). Ces bancs didactiques lui permettront par ailleurs de mettre en évidence les lois fondamentales qui gouvernent le fonctionnement des turbomachines à fluide incompressible, tout en s'initiant à l'utilisation d'appareillages de mesures (de débit, de vitesse et de pression).

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

A l'issue de cette Unité d'Enseignement, l'étudiant.e devra maîtriser les aspects technologiques liés au fonctionnement des turbomachines à fluide incompressible. Plus spécifiquement, le dispositif pédagogique mis en place a pour but de donner les éléments théoriques, mais également pratiques, nécessaires à la compréhension des turbomachines hydrauliques. Au terme de cette UE, il.ellesera donc capable :

• (AA1) de maîtriser les notions de conservation de masse, d'énergie et de quantité de mouvement ;
• (AA2) de décrire les équations inhérentes aux turbomachines (Bernoulli, Euler, ...) ainsi que leurs domaines de validité, et de les appliquer dans des situations appropriées ;
• (AA3) d'analyser, d'un point de vue énergétique, l'écoulement dans des turbomachines à fluide incompressible ;
• (AA4) de formuler le point de fonctionnement de ces turbomachines selon leur utilisation ;
• (AA5) de choisir ou sélectionner un type de turbomachine hydraulique pour une application donnée ;
• (AA6) d'analyser, au laboratoire, le fonctionnement de diverses turbomachines à fluide incompressible.

Les séances de laboratoire visent quant à elles à familiariser l'étudiant avec le fonctionnement de diverses turbomachines. Au terme de ces séances, l'étudiant.e sera ainsi capable :

• de manipuler divers appareils de mesures (tachymètre, wattmètre, tube de pitot, manomètre à colonne de liquide, diaphragme, anémomètre, …) ;
• de réaliser une campagne de mesures pour des conditions d’essais définies, en respectant les consignes de sécurité ;
• d'utiliser des outils d’analyse et d’acquisition de données ;
• de rédiger un rapport de mesures et d'analyse argumenté ;
• de présenter oralement les résultats d'une manipulation ;
• de travailler en groupe.

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'UE comprend des séances ex cathedra (36 heures) et des séances de laboratoire (18 heures).

Organisé dans le cadre de l'Activité d'Apprentissage Turbomachines à fluide incompressible, le cours magistral compte généralement 18 séances de 2h. Ces séances sont organisées selon la structure suivante : 

1. Introduction : principe de fonctionnement et classification des turbomachines, équations de conservation.
2. Etudes des pompes hydrauliques : hauteur manométrique, hauteur indiquée, pertes, rendements, bilan énergétique, courbes caractéristiques, triangle de vitesses.
3. Similitudes : analyse dimensionnelle, coefficients de Rateau, vitesse spécifique, rognage de roue.
4. Pompes dans une installation : point de fonctionnement, association de pompes en série et en parallèle.
5. Cavitation : description, critères de cavitation, NPSH.
6. Turbines hydrauliques : classification et type de turbines, bilan énergétique.

Certaines séances du cours magistral sont également consacrées à la résolution d'exercices destinés à illustrer, sous un angle pratique, les concepts théoriques.

Les séances de laboratoire sont effectuées par groupes (de deux à trois étudiants par manipulation). Le laboratoire comprend un ensemble de six manipulations "en parallèle". Chaque groupe réalise, de façon effective, quatre manipulations pami les six disponibles. La première séance de laboratoire est dédicacée à une présentation, réalisée par les encadrants pédagogiques, de chaque banc d'essais. Durant les séances pratiques, l'encadrant pédagogique veille à la bonne utilisation des bancs d'essais, et ce dans le respect des consignes de sécurité des hommes et du matériel. Lors de la dernière séance chaque groupe présente oralement l'une des manipulations effectuées.

Engagement attendu de la part de l'étudiant.e

Outre à induire une passion pour les turbomachines chez l'étudiant.e, les séances ex cathedra sont consacrées à la description et à l'explication des concepts théoriques, mais aussi pratiques, de cette discipline. Ces séances sont par ailleurs destinées à développer chez l'étudiant.e les compétences requises afin de comparer, ainsi que d'analyser et de modéliser le fonctionnement de différentes turbomachines à fluide incompressible. Ces séances sont également l'occasion de comprendre le dimensionnement de ces turbomachines. Lors de cet enseignement magistral, l'implication de l'étudiant.e consistera en une écoute attentive et une prise de notes. Par ailleurs, il.elle sera encouragé.e à poser des questions chaque fois que cela est nécessaire. Nous lui conseillons d'oser mobiliser cette possibilité de questionnement. Enfin, dans cette UE, les concepts abordés sont à la fois théorique et pratique : il est donc conseillé de réaliser régulièrement des synthèses du cours théorique et de résoudre les exercices, ceci afin d'effectuer les liens cognitifs entre les volets théoriques et applicatifs abordés au laboratoire.

Examen écrit

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours fermé. La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.

Examen de laboratoire

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la 1re session. Elle est organisée avant la session. Il s'agit d'un travail. Cette épreuve est en équipe de travail. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite, une formulation orale, une réalisation par mise en pratique. L'épreuve repose sur des formulations personnelles. Elle se déroule avec un support (à projeter), avec du matériel spécifique . La correction de cette épreuve est assurée par délibération d'une équipe d’enseignant.es.