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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Daniel Rousse


PLAN DE COURS

Hiver 2022
ENR855 : Énergie hydraulique (3 crédits)


Modalités de la session d’hiver 2022


Pour assurer la tenue de la session d’hiver 2022, les modalités suivantes seront appliquées :


Les activités d’enseignement de la session d’hiver 2022 comprendront des activités en présence et à distance, lesquelles seront ajustées en fonction de l’évolution de la situation socio-sanitaire.


Pour les cours (ou séances de cours) donnés à distance, l’étudiant ou l'étudiante doit avoir accès à un ordinateur, un micro, une caméra et un accès à internet, idéalement de 10Mb/s ou plus. Il ou elle doit ouvrir sa caméra et/ou son micro lorsque requis, notamment pour des fins d’identification ou d’évaluation.


Les cours (ou séances de cours) donnés à distance pourraient être enregistrés afin de les rendre disponibles aux personnes inscrites au cours.


La notation des cours sera la notation régulière prévue aux règlements des études de l’ÉTS.


Les examens (intra, finaux) se feront en présence, si la situation socio-sanitaire le permet.


Le contexte actuel oblige bien sûr l’ÉTS à suivre de près l’évolution de la pandémie de COVID-19, laquelle pourrait entraîner, avant ou après le début de la session d’hiver 2022, un resserrement des directives et recommandations gouvernementales. Nous vous assurons que l’ÉTS se conformera aux règles en vigueur afin de préserver la santé publique et, si requis, qu'elle pourrait aller jusqu’à interdire l’accès physique au campus universitaire et ordonner que toutes les activités d’enseignement et d’évaluation soient exclusivement données à distance pour toute ou pour une partie de la session d’hiver 2022. Ainsi, si les examens (intra, finaux) devaient se faire à distance, leur surveillance se fera à l’aide de la caméra et du micro de l’ordinateur et pourrait être enregistrée. Ceci est nécessaire pour se conformer aux exigences du Bureau canadien d’agrément des programmes de génie (BCAPG) afin d’assurer la validité des évaluations.


Des exigences additionnelles pourraient être spécifiées par l’ÉTS ou votre département, suivant les particularités propres à votre programme.


En vous inscrivant ou en demeurant inscrit à la session d'hiver 2022, vous acceptez les modalités particulières de la session d’hiver 2022.


Nous vous rappelons que vous avez jusqu’au 18 janvier 2022 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.


Pour les nouveaux étudiants inscrits au programme de baccalauréat uniquement, vous avez jusqu’au 1er février 2022 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.




Préalables
Aucun préalable requis




Descriptif du cours

Ce cours vise à :

  • faire connaître la ressource hydraulique, son potentiel et sa place dans le bilan énergétique;
  • initier les étudiants à la conception des turbines hydrauliques et au contexte du développement d’un projet hydroélectrique;
  • optimiser les paramètres de dimensionnement d’une turbine hydraulique et étudier son impact sur la centrale;
  • permettre aux étudiants de maîtriser les paramètres d’optimisation pour un développement durable à partir de la ressource hydraulique, dont le retour sur l’investissement, l’efficacité énergétique, la fiabilité et l’empreinte écologique;
  • initier les étudiants à l’interaction de la turbine hydraulique avec machine synchrone.

Principaux composants des groupes turbines-alternateurs et leurs rôles. Types de turbines : Francis, Pelton, Kaplan et à hélice. La mécanique des fluides pour les turbines hydrauliques (triangle de vitesses, torche, régimes d’opération et les transitoires, cavitation) et les lois de similitude et de transposition (incluant les nombres utilisés pour caractériser la similitude : vitesse spécifique, etc.) permettant de dimensionner et concevoir les turbines. Présentation des composants mécaniques de la turbine, leurs chargements, leurs critères de conception et la logistique du montage au site. Mécanique de la roue, la conception, les matériaux les méthodes de fabrication et les méthodes d’inspection non destructives. Validation des performances hydrauliques sur modèle réduit et sur prototype. Réhabilitation des équipements hydroélectriques existants. Présentation des solutions environnementales : réduction des lubrifiants minéraux, turbine ichtyophile et augmentation de l’oxygène dissout.

Soumission d’un dimensionnement hydraulique en réponse à un cahier des charges typique permettant d’approfondir les concepts enseignés par la simulation d’un contexte industriel.




Objectifs du cours

Ce cours en génie mécanique porte sur la conception des turbines hydrauliques. Il comporte un volet important sur la théorie de l'hydraulique appliquée aux turbines et un autre sur la réalisation des machines.
Dans le cadre académique, on se concentrera sur les types de turbines qui sont utilisés au Québec mais la théorie présentée est applicable à tous les types.
Chaque cours portera sur un sujet particulier. Globalement, il y aura 5 cours sur la théorie de l'hydraulique, les autres porteront sur les essais et mesures, les procédés de fabrication, la conception mécanique, la réhabilitation des turbines existantes et les solutions environnementales.
Il y aura un projet où les étudiants seront invités à remettre une soumission en réponse à un cahier des charges hydrauliques pour la fourniture d'une turbine.
L'évaluation portera à part égale sur le projet et un examen final à choix multiple.
Habituellement, une visite de laboratoire est envisagée en dehors des heures de cours, malheureusement cette année, cette visite ne sera probablement pas possible.

À la suite de ce cours, l'étudiant devra être en mesure de faire le lien entre les conditions hydrauliques, économiques et environnementales et la géométrie de la turbine.




Stratégies pédagogiques

À partir de l'hiver 2018, les cours ont été mis en forme avec le logiciel Opale qui permet de structurer pédagogiquement l'information avec la possibilité d'intégrer toute une variété de supports multimédias ainsi que des auto-évaluations. Toutefois, l'essentiel de cet éditeur de chaîne éditoriale est d'obtenir une version web, diaporama et pdf  de la même matière pour un meilleur accès à l'information.

Dans le but d'acquérir une vision globale, la séquence des cours présentera les sujets en variant entre la physique de l'hydraulique et les autres compétences développées.

Sur les aspects mécaniques, je serai épaulé par Stéphane Roy, ing. qui a plus de 25 ans d'expérience dans le domaine. Il présentera les composants mécaniques de la turbine et son montage au site.




Utilisation d’appareils électroniques

N/A




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Jeudi 18:00 - 21:30 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Michel Sabourin Activité de cours cc-Michel.Sabourin@etsmtl.ca
01 Stéphane Roy Activité de cours cc-Stephane.Roy@etsmtl.ca



Cours

Calendrier des cours officiel pour 2021

Cours no

Date

Titre

1

06/01/2022

Introduction – L’hydroélectricité, une énergie renouvelable

2

13/01/2022

La mécanique des fluides pour les turbines hydrauliques

3

20/01/2022

Les composants mécaniques

4

27/01/2022

Les lois de similitude et de transposition

5

03/02/2022

Le montage du site de la turbine

6

10/02/2022

La cavitation – Information sur le projet

7

17/02/2022

Les essais modèle et prototype

8

24/02/2022

La réalisation de la roue – Lancement du projet

R

03/03/2022

Relâche

9

10/03/2022

Les conditions d’opération et les transitoires – (visite du laboratoire d’Andritz peu probable)

10

17/03/2022

La réhabilitation

11

24/03/2022

Les solutions environnementales

12

31/03/2022

Révision et dernières consignes sur la présentation du projet

13

07/04/2022

Projet/évaluation

F

XX/04/2022

Examens finaux (date à confirmer)

 

Cours 1 Introduction – L'hydroélectricité, une énergie renouvelable

  • Programme du cours ENR855 Énergie hydraulique

  • L'hydroélectricité, une énergie renouvelable

  • Brève initiation au monde de l'hydraulique

Cours 2 La mécanique des fluides pour les turbines hydrauliques

  • Équations de base

    • Continuité - conservation de la masse

    • L'hydrostatique ou l'équilibre des forces dans un champ d'accélération

    • Équation de la conservation de la quantité de mouvement ou équation de Newton(1687)

    • La relation d'Euler

    • L'équation de Bernoulli - conservation de l'énergie

  • Définitions importantes

    • Énergie nette

    • Puissance et rendement

Cours 3 Les composants mécaniques

  • Les sources du chargement mécanique

  • Les composants mécaniques

    • Les composants encastrés

    • Les composants démontables

  • Exemples de réalisations

Cours 4 Les lois de similitude et de transposition

  • Les lois de similitudes

  • Les nombres utilisés pour caractériser la similitude

  • L'effet d'échelle

Cours 5 Le montage au site de la turbine

  • Synopsis de montage et gestion du plancher

  • Tolérancement du montage

  • Assemblage de la machine - en photo

  • Alignement de la machine

  • Démarrage de la machine

  • Essais de réception mécanique

Cours 6 La cavitation

  • La théorie

  • Les manifestations de la cavitation dans une turbine hydraulique

  • Les matériaux anti-cavitation

Cours 7 Les essais sur modèle et prototype

  • Les essais sur modèle réduit

  • Les essais sur prototype

Cours 8 La réalisation de la roue

  • L'importance économique de la roue

  • Les processus de défaillance impliquées dans le cycle de vie des roues

  • Les extrants hydrauliques à communiquer au concepteur mécanique

  • La conception mécanique

  • La fabrication

  • L'inspection et le contrôle de qualité

  • La manutention et le transport

Cours 9 Les conditions d'opération et les transitoires

  • Une vision statique du fonctionnement : la lecture de la colline

  • Le démarrage de la turbine

  • Opération en mode production et l'interaction avec le réseau

  • L'arrêt normal

  • L'effet d'une variation d'ouverture sur les conditions hydrauliques - Cas 1, le coup de bélier de masse

  • Effet de la compressibilité de l'eau - Cas 2, le coup de bélier acoustique

  • Bilan par comparaison des résultats des différents modèles de simulation de coup de bélier

  • Calcul d'un transitoire sur un groupe turbine alternateur avec la méthode d'Allievi

  • Les garanties de performance hydraulique

Cours 10 La réhabilitation

  • Les guides et références pour la réhabilitation

  • La réhabilitation une opportunité

  • Les enjeux économiques

  • La planification du projet de réhabilitation

  • Les solutions technologiques

Cours 11 Les solutions environnementales

  • L'amélioration des performances

  • Réduction des lubrifiants minéraux

  • Les turbines ichtyophiles

  • Augmentation de l'oxygène dissous

Cours 12 Révision

Cours 13 Présentation du projet

 




Évaluation
 Évaluations Pondération
 Projet 50%
 Examen final 50%

 




Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.



Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur de département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

Documents fournis pour chaque cours sur Moodle.

 




Ouvrages de références

Sources des informations :

  • Savoir cumulé depuis plus de 100 ans par GE/Alstom et mes collègues
  • Cours d'autres universités et organisations
  • Wikipedia
  • Hydro-Québec et IREQ

Références en version papier :

  • Turbines hydrauliques et leur régulation, Lucien Vivier, Édition Albin Michel
  • La cavitation Mécanismes physiques et aspects industriels, Franc JP, Presses universitaires de Grenoble
  • La cavitation : Traqueurs de bulles, Lecoffre Y, Édition Hermes

En version électronique et papier :

  • L'énergie hydraulique, Ginocchio et Violet, édition Lavoisier
  • IEC 60193:1999 Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Model acceptance tests
  • IEC 60041:1991 Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines
  • IEC 60609-1:2004 Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Cavitation pitting evaluation - Part 1: Evaluation in reaction turbines, storage pumps and pump-turbines
  • IEC 62097:2009 Hydraulic machines, radial and axial - Performance conversion method from model to prototype
  • IEC 62256:2008 Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Rehabilitation and performance improvement



Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

Le site :

www.simturb.com 1

comprend la partie hydraulique de cette formation avec plus de détails et d'outils de calcul et de conception.

1 https://michelsabourin.scenari-community.org/SimTurb/co/1siteWeb.html