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Hydro turbines ou turbines hydroélectriques et micro turbines à hélice
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
Ces turbines dont la vitesse de rotation est faible présentent l’avantage
d’avoir de très bons rendements.
