Le changement climatique et l’augmentation des charges sédimentaires dans les bassins versants alpins accélèrent l’érosion hydro-abrasive des aménagements hydroélectriques. Face à ce défi opérationnel, l’évaluation de l’usure des roues Pelton repose encore largement sur des inspections visuelles périodiques, nécessitant des arrêts de production coûteux et réduisant la disponibilité des groupes.
Dans une étude récente publiée dans Results in Engineering, les chercheurs du Hydro Alps Lab (dans le cadre de la thèse de Maxime Chiarelli, HES-SO Valais-Wallis et ETH Zürich) franchissent une étape fondamentale pour pallier cette contrainte en établissant les bases physiques d’un suivi de santé structurel non intrusif.
Quantifier l’état d’usure en temps réel grâce aux propriétés dynamiques
L’objectif central de ces travaux est de quantifier indirectement le stade d’usure actuel d’une roue Pelton en fonctionnement, sans nécessiter de démontage ni d’interruption de service. En analysant trois roues prototypes à l’échelle small-hydro (1,8 MW) représentant différents niveaux de dégradation, les chercheurs ont mis en évidence un glissement systématique des fréquences propres de la structure vers des valeurs plus basses.
Ces baisses de fréquence, qui atteignent jusqu’à -15,75 % sur certaines familles de modes vibratoires, démontrent que le comportement dynamique de la roue est principalement gouverné par la perte de rigidité structurelle au niveau des augets (notamment sur le séparateur central et l’échancrure) plutôt que par la simple diminution de masse.
Une corrélation transposable aux machines de grande puissance
Pour les spécialistes de la dynamique des structures, l’un des résultats les plus prometteurs de l’article réside dans la relation quasi linéaire observée entre le volume de matière érodé et la chute des fréquences propres pour la majorité des familles modales. En suivant en continu ces signatures fréquentielles (au moyen d’accéléromètres ou par vibrométrie laser), il devient possible d’estimer avec précision l’état de dégradation mécanique de la roue en temps réel.
L’étude valide également l’application de lois de similitude géométrique. Elle prouve que, bien que les fréquences propres diminuent avec la taille des machines, les décalages fréquentiels provoqués par l’érosion restent parfaitement détectables à l’aide d’instruments de mesure standards sur des roues de grande puissance, comme celles des aménagements de Peccia (TI) ou de Bieudron (VS).
Les briques physiques de la future maintenance prédictive
S’appuyant sur un couplage expérimental et numérique rigoureux associant numérisation 3D haute résolution, analyse modale expérimentale (EMA) et simulations par éléments finis (FEM), ce travail ne constitue pas un modèle de prédiction temporelle de la durée de vie résiduelle, mais établit le socle physique indispensable aux futurs outils de maintenance prédictive. Il offre ainsi aux exploitants, chercheurs et futurs ingénieurs de la transition énergétique une méthodologie éprouvée pour optimiser la gestion des actifs hydroélectriques en milieu sédimentaire.
Consulter la publication complète : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123026030951
