Hydro turbines ou turbines hydroélectriques et micro turbines à hélice

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Energie hydroélectrique

L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie hydraulique des différents flux d'eau (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins...) L'énergie cinétique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.

L'énergie hydroélectrique est une énergie renouvelable. Elle est aussi considérée comme une énergie propre.

Hydro turbine ou turbine hydroélectrique

Une turbine (ensemble mécanique situé autour de la roue motrice) est un moteur rotatif (pâles) entraîné par la pression de l’eau guidée jusqu’à la turbine par la conduite forcée. Il transforme la plus grande partie de l’énergie hydraulique en énergie mécanique. L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau, par l'intermédiaire d'une roue entraînant un rotor d'alternateur.

Il existe 2 familles de turbines : les turbines à action (Pelton, Cross-flow) et les turbines à réaction (Francis, Kaplan, pompes inversées). Chaque type de turbine est adaptée aux différentes exigences des cours d’eau et des caractéristiques du site : hauteur de chute disponible sur le site, débit et variabilité du débit.

Pour les petites chutes (hauteur < 10 mètres)

  • La roue à aube est la plus ancienne des turbines, c’est elle qui équipait les moulins à aube. Elle se sert du poids de l’eau pour créer de l’énergie et est utilisée pour des chutes de 1 à 10 mètres. Elle nécessite l’ajout de matériel de multiplication avec un fort coefficient.
  • La turbine Kaplan ou turbine de type hélice : Elle est parfaitement adaptée aux basses chutes et aux forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables. Elle est utilisée lorsque le débit d’eau est compris entre 300 et 10 000 litres /seconde et pour des hauteurs de chute jusqu’à 15 à 20 mètres. Elle se sert de la force d’écoulement de l’eau pour tourner et fournir de l’énergie électrique.

A noter : les micro turbines hydroélectriques à hélice en vente sur notre site, sont faites pour fonctionner avec une hauteur de chute à partir de 2 mètres et un débit d’eau de l’ordre de 40 à 45 litres/seconde. Cliquez sur le lien pour accéder au rayon concerné.

Pour les chutes moyennes (hauteur supérieure à 10 mètres)

  • La turbine Francis (roue à pale) : Elle est utilisée pour des débits de 100 à 6 000 litres/seconde. Son prix est plus élevé mais son rendement est excellent si le débit varie de 60 à100 % du débit nominal. Elle fonctionne sans multiplicateur.
  • La turbine Banki-Mitchell ou à flux traversant (crossflow) : Elle est utilisée jusqu’à 200 mètres de chute, pour des débits allant de 20 à 7 000 litres/seconde. Son rendement est inférieur aux autres mais elle offre une bonne souplesse d’utilisation car elle supporte de forts changements de débit. Un important multiplicateur est à prévoir avant de brancher la génératrice.

Pour les chutes de montagne (hauteur de chute importante)

  • La turbine Pelton (50 à 1000 mètres et plus) : Elle s’utilise avec des débits de 20 à 1 000 litres/seconde et fournit une puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kW. Elle peut être liée directement avec la génératrice.

A noter : les hydro-turbines de type "Pelton" en vente sur notre site, sont faites pour fonctionner avec une hauteur de chute à partir de 8 mètres et un débit d’eau de l’ordre de 5 à 12 litres/seconde. Cliquez sur le lien pour accéder au rayon concerné.

  • La turbine Turgo (entre 30 et 300 mètres de chute) : Son petit diamètre lui permet d’être directement couplée au générateur.

Turbine Pelton

Une turbine Pelton est un type de turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été inventée en 1879 par Lester Allan Pelton, en Californie.

Principe

Cette turbine est du type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau venant d’une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l’action d’un jet d’eau sur les augets de la roue.

Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites « hautes chutes », 10 à 500 mètres avec un faible débit d’eau (20 à 1000 litres par seconde).

Elle est équipée d’augets en forme de cuillère qui sont placées autour de la roue et reçoivent l’eau par l’intermédiaire d’un ou plusieurs injecteurs

Ces injecteurs permettent de régler l’arrivée de l’eau même en cas de fortes variations du débit et de conserver à l’ensemble un très bon rendement.

Sa vitesse de rotation est comprise entre 500 et 1 500 tr/min permettant une liaison directe entre la turbine et la génératrice et offrant ainsi un encombrement réduit.

La conception de cette turbine permet d’obtenir un rendement exceptionnel de l'ordre de 90%.

Constitution

Une turbine Pelton comporte une roue mobile, munie d'aubes appelées « augets » sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à très grande vitesse, l'eau sur les augets. Le tout est entouré d'une bâche en tôle d'acier destinée à protéger la roue et à évacuer l'eau.

Energiedouce - Illustration hydro-turbine électrique Pelton

Roue à augets

Les turbines Pelton utilisent la roue dite « à augets ». Cette roue ressemble à un disque équipé d’augets ressemblant à des demi coquilles de noix, placés en circonférence. La forme de ces augets est très évoluée et permet au jet d’eau qui les frappe de se séparer en 2 jets déviés sur les côtés de la roue.

Energiedouce - Photo d'une roue à augets d'une hydro-turbine électrique Pelton

Construite le plus souvent d’une seule pièce, les roues Pelton sont moulées par coulage, avec des matériaux ferreux fortement alliés en chrome et nickel. Le moulage de ces roues est une opération complexe et délicate, nécessitant des contrôles métallurgiques nombreux et coûteux.

La surface intérieure des augets, appelée « intrados », doit avoir un état de surface poli pour optimiser l’écoulement de l’eau. La partie extérieure (extrados) des augets est parfois nervurée pour augmenter la tenue mécanique de l’auget.

L'axe de la roue est habituellement horizontal. L'alternateur peut être commandé par une ou deux roues, avec les dispositions suivantes :

  1. Une roue : l'alternateur et la roue sont placés côte à côte.
  2. Deux roues : l'alternateur est placé entre les deux roues.

Energiedouce - Schéma d'installation d'une hydro-turbine électrique Pelton

Injecteur

L’injecteur a pour rôle d'alimenter la roue en eau et de permettre le réglage du débit. L'eau pénètre dans l’injecteur à faible vitesse et en sort à grande vitesse. Il y a donc dans l’injecteur transformation de l'énergie de pression en énergie cinétique, l'eau agissant essentiellement sur la roue par son énergie cinétique. La vitesse de l'eau à la sortie de l’injecteur ne dépend que de la hauteur de chute.

L’injecteur est composé :

  • d'un corps, se terminant du côté de la sortie d'eau par un trou d’ajutage appelé « buse »,
  • d'une aiguille, se déplaçant dans le corps et servant au réglage du débit d’eau,
  • d'un vérin hydraulique de manœuvre.

Le corps ressemble à un tube creux, monté en bout de la conduite forcée. Fabriqué en acier coulé, il est rectiligne ou coudé. A la sortie du corps, la buse est soumise à une forte érosion de l’eau et comporte une partie démontable appelée «bec de buse». Cette pièce réalisée en acier inoxydable peut être donc remplacée suivant son usure.

L’aiguille sert d’obturateur et de régleur du débit d’eau en se déplaçant longitudinalement dans le corps de l’injecteur. A l’extrémité de l’aiguille, le pointeau (en forme de radis) est une pièce en acier inoxydable parfaitement usinée et polie, venant en contact avec le bec de buse.

La manœuvre de l’aiguille est assurée par un vérin placé en bout de l’aiguille et fixé sur le corps de l’injecteur. La présence de ce vérin oblige à concevoir une forme coudée pour le corps de l’injecteur. Le guidage de l’aiguille est assurée par un croisillon côté buse (sortie d’eau) et par un presse-étoupe côté vérin. La conception fait que l’aiguille a tendance à se fermer sous la pression d’eau amont pour assurer la sécurité de la fermeture. Le vérin ne sert qu’à la manœuvre d’ouverture et au réglage du jet d’eau.

Déflecteur

Le déflecteur a pour rôle de dévier le jet d’eau, en cas d'incident grave sur la turbine ou sur l'alternateur, sans arrêter l'écoulement de l'eau et d'éviter ainsi les coups de bélier dans la conduite amont ou l’emballement de la turbine.

Le déflecteur est composé :

  • d'un étrier en acier, pivotant perpendiculairement devant la sortie du jet d’eau de l’injecteur,
  • d'un vérin hydraulique de manœuvre.

Après une manœuvre du déflecteur, la roue n’est plus entraînée par le jet, et ce dernier peut être diminué lentement par l’injecteur sans risque. L’efficacité du déflecteur est assurée par sa position tangente au jet d’eau en position normale. Le déflecteur est une pièce le plus souvent forgée, à cause des contraintes importantes qu’il subit.

Bâche

La bâche est la partie enveloppant la roue, contenant ainsi les projections d’eau (valable uniquement pour les turbines à axe horizontal)

Cette bâche est composée :

  • d'un bâti fixe en partie basse, ancré dans le béton,
  • d'une capote démontable, permettant l’accès à la roue pour les contrôles et réparations.

Le plan de joint entre le bâti et la capote est donc horizontal et passe par l’axe de rotation de la roue. Après chaque démontage, l’étanchéité de ce plan de joint est refaite, par application de pâte d’étanchéité ou par remplacement du joint torique placé dans une gorge du bâti.

D’autre part, des boucliers métalliques appelés « renvois d’eau » sont fixés dans la partie inférieure du bâti. Ces pièces permettent de récolter l’eau projetée et de la guider vers la fosse d’évacuation.

La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow

Turbine de faible et moyenne chute, de 1 à 150 et de débit faible à moyen, de 20 à 7000 l/s.

Cette turbine à action est dite à flux traversant car l’eau traverse deux fois la roue.

Elle est constituée de trois parties principales :

  • un injecteur de section rectangulaire et dont le débit est réglé à l’aide d’une aube profilée rotative, similaire à une vanne papillon. Afin d’assurer un arrêt de la turbine sans énergie d’appoint, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids et l’ouverture par un vérin hydraulique ;
  • une roue en forme de tambours, dotée d’aubes cylindriques profilées ;
  • un bâti enveloppant la roue sur lequel sont fixés les paliers de la turbine.

Energiedouce - Illustration hudro-turbine électrique Banki Mitchell

Elle possède l’inconvénient d’avoir une vitesse de rotation assez lente ce qui nécessite la présence d’un multiplicateur (courroie) pour accélérer la vitesse de rotation de la génératrice et donc un rendement assez moyen mais constant (de l’ordre de 70%).

Cependant, son dimensionnement et sa construction sont très simples et elle est robuste : même pour les petites puissances sa construction peut être envisagée au stade artisanal par un bon bricoleur. En effet cette roue ne possède aucun élément de fonderie, les aubes sont des portions de surface cylindrique circulaire. On peut donc les découper dans un tube, en acier, laiton, ou même plastique. Ceci en fait une solution de choix pour les pays en voie de développement.

La turbine Francis

Les turbines Francis sont généralement utilisées pour des moyennes chutes (10 à 100 m) et des débits moyens (100 à 6 000 l/s) et peuvent développer des puissances très importantes.

La roue fixe est montée au centre d’une "bâche spirale" à l’intérieure de laquelle ce trouve le distributeur. Cette "bâche" est une conduite en forme de colimaçon de section progressivement décroissante reliée, d’une part à l’extrémité aval de la conduite forcée, et d’autre part à la section d’entrée du distributeur. La bâche est dimensionnée de façon à ce le débit passant à travers reste constant.

Energiedouce - Illustration hélice d'une hydro-turbine électrique Francis

Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) qui dirigent l’eau de la bâche vers la roue.

Sa vitesse de rotation est rapide (jusqu’à 1 000 tr/min) et elle a de bons rendements : pour des débits variant de 60 à 100 % du débit nominal, il dépasse 80 %. Cependant ce matériel n’est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au delà de ces limites.

Les turbines Kaplan et hélices

Les turbines Kaplan et turbines à hélice

Elles sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes (moins de 10 mètres) et des débits importants (300 à 10 000 litres/seconde).

Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).

Energiedouce - Photo d'une hélice d'hydro-turbine électrique Kaplan

L’eau est dirigée vers le centre de la roue par un distributeur orientable ou fixe. A la sortie un aspirateur permet de limiter les effets de turbulence.

Energiedouce - Illustration d'une hydro-turbine électrique Kaplan

Ces turbines dont la vitesse de rotation est faible présentent l’avantage d’avoir de très bons rendements.

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