Modélisation numérique et algébrique des joints labyrinthe des turbines Francis

Il existe plusieurs types de turbines hydrauliques. Selon les conditions d'operation, les geometries sont dierentes, et les technologies aussi. Les joints hydrauliques, objets de cette etude, sont presents seulement dans les turbines de type Francis. Ces turbines sont tres utilisees, partout dans le monde. Le joint hydraulique n'est pas, comme on pourrait l'imaginer, une piece assurant l'etan- cheite. Il s'agit d'un interstice entre la roue de la turbine, en rotation, et le b^ati, statique. Il est necessaire et permet d'eviter le contact entre les deux ensembles. Mais de l'eau passe a travers le joint et ne participe donc pas au processus de conversion d'energie. De plus, les frottements au sein du joint ralentissent la machine. A cause de la fuite et des frottements qu'il provoque, le joint cree une perte de rendement de la turbine. Dans une demarche d'amelioration constante de machines ayant un rendement deja tres eleve, une optimisation de chaque composante, donc des joints hydrauliques, est necessaire. C'est le but de la recherche dans laquelle s'inscrit notre etude : diminuer autant que possible les pertes au sein des joints hydrauliques des turbines Francis. An de bien se rendre compte du probleme, et de comprendre l'existence d'un joint opti- mal, un raisonnement purement analytique, mettant en jeu un ecoulement laminaire dans un joint droit, a d'abord ete mene. Il a permis d'etablir les expressions analytiques des champs de vitesse, de la pression, des pertes et de la longueur optimale en fonction des dierents para- metres du probleme dans ce cas particulier. Dierents essais avec le solveur ANSYS CFX ont ensuite ete menes an de mettre en evidence certains points necessitant une attention parti- culiere lors de la suite de l'etude. Par la suite, un modele numerique de joints labyrinthe a ete valide. Les resultats d'experiences menees dans les annees 1960 chez Dominion Engineering Works, maintenant Andritz Hydro Limitee, ont ete utilises pour cette validation. M^eme si les experiences n'etaient pas toutes utilisables, certaines ont ete reproduites numeriquement. Le modele numerique developpe utilise le modele de turbulence SST, des geometries bidimen- sionnelles axisymetriques, une repartition parabolique du maillage, des parois lisses, et une perte de charge en sortie de joint basee sur la vitesse normale. Les simulations permettent de retrouver les resultats experimentaux avec un ecart moyen de 6.5 % sur les tests consideres. Sur ces m^emes tests, plus de 60% des ecarts entre resultats numeriques et experimentaux sont inferieurs a l'incertitude experimentale. Le modele est donc utilisable pour mener des experiences numeriques dont le resultat sera dele a la realite, sur l'espace de design considere. Un plan d'experiences approprie, remplissant convenablement l'intervalle dans lequel nous nous trouvons, a ete cree en utilisant