Les différents types de turbines

Il existe deux sortes de turbines :

Les turbines à action ont pour caractéristique d'avoir une pression d'entrée égale à la pression de sortie.
Elles sont réparties en deux types : Pelton et Crossflow. Ce sont les turbines les plus simples à utiliser, mais ce sont également les moins efficaces du fait de leur faible surface de contact avec l'eau.
Un jet intense et concentré exerce une force sur les augets, placés à la périphérie de la pièce tournante, ce même jet est transformé en couple et en puissance mécanique sur l'aube de la turbine.

Lorsque la pression à l'entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie, on parle de turbines à réaction. Ce sont les turbines Francis et Kaplan. Grâce à une conception complexe, elles disposent de bons rendements. Une turbine à réaction est une turbine immergée qui utilise à la fois l'énergie résultante de l'eau (énergie cinétique) et celle provenant de la différence de pression. Elle travaille en trois étapes : On crée d’abord un grand tourbillon à l’entrée, grâce à ses aubes, la roue freine ce tourbillon et en transfère l’énergie à l’alternateur qui en fait de l’électricité. Par la suite, l’eau est retournée à la rivière le plus doucement possible.

Turbines à action :

Turbine Pelton :

La turbine Pelton est utilisée dans les hautes chutes, jusqu’à 1800 mètres et de débit assez faible (~25m³/seconde). Son diamètre varie de 0.6 à 3.5 mètres.
La roue Pelton est entraînée par un ou plusieurs jets d’eau. Ceux-ci sortent de l’injecteur à une vitesse de 500 km à l’heure (140 mètres par seconde), après une chute de 1000 mètres. On trouve un pointeau mobile qui permet de régler le débit à l'intérieur de l'injecteur. Les aubes de la turbine sont partagées par une arête médiane qui relie deux godets. Ces godets sont constitués de manière à laisser l’eau s’échapper sur les côtés. Le jet d’eau frappe l'arête de l'aube, se partage en deux puis arrive finalement dans les godets.

Vue schématique d'une roue Pelton à deux jets.

Turbine Crossflow :

La turbine Crossflow convient pour des débits de 20 à 1000 L/s (1 m³.s^-1) et des chutes de 1 à 200 mètres. On l’appelle également turbine à flux traversant car l’eau traverse deux fois la roue. Elle peut se découper en trois parties principales :
     ·         un injecteur dont le débit est réglé à l'aide d'une aube rotative. 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.

Vue en coupe d'une turbine Crossflow

Cette turbine est souvent divisée en 2 secteurs qui peuvent être mis en fonction séparément ou ensemble pour obtenir un rendement satisfaisant sur toute la plage des débits.
De part sa construction simple, elle est assez répandue dans les pays en voie de développement. La roue est autonettoyante, car le flux d'eau traversant permet de dégager les débris bloqués sur l'aubage à l'entrée de la roue.
En revanche, le rendement maximum de ce type de turbine est moyen : entre 70 et 73 %. Du fait de sa vitesse de rotation généralement basse, cette turbine a besoin d'être couplée à un multiplicateur à engrenages ou à courroie.

Turbines à réaction :

La situation d’installation est capitale à cause du phénomène dit de cavitation. En effet, lorsque la hauteur d’aspiration (différence d’altitude entre le niveau d’eau en aval de la turbine et le passage dans la roue) augmente, il se crée une très forte dépression sur les aubes de la roue, qui provoque l’érosion de celle-ci. Aussi est-il nécessaire pour chaque installation de déterminer avec précision la hauteur d'aspiration.

La turbine Francis :

Cette turbine est la plus répandue. Elle permet la valorisation de chutes de faible ou moyenne hauteur (de 40 à 700 mètres) et peut développer une puissance très importante. Son diamètre varie de 0.6 à 8 mètres. Elle est constituée d’une conduite en colimaçon (bâche en spirale) qui conduit l’eau à un distributeur. Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubages) qui guident l’eau vers la roue. La roue de la turbine est placée à l'intérieur des distributeurs.

Schéma d'une turbine Francis

Roue Francis de 8m. de diamètre

Turbines Kaplan et hélices :

Les turbines Kaplan et à hélices sont employées en cas de faibles chutes (de 15 à 30m). Les puissances correspondantes peuvent varier de quelques kW à plusieurs centaines de kW.
Ce sont des turbines que l’on retrouve au fil de l’eau et qui donc n’ont pas de réservoir, leur diamètre varie de 1 à 11 mètres. En général les turbines hélices se retrouvent en grand nombre dans une centrale. Ces turbines se caractérisent par une roue en forme d’hélice dont les pales peuvent être réglables en marche (dans le cas d’une Kaplan). On les classe en fonction du type d’écoulement :
     ·         débits constants : une turbine hélice à pales et distributeur fixes.
     ·         débits élevés et peu variables : une turbine hélice à pales fixes et un distributeur mobile.
     ·         débits variants entre 30 et 100 % du débit nominal : une turbine Kaplan à distributeur fixe.
     ·         débits variants entre 15 et 100 % du débit nominal : une turbine Kaplan à distributeur réglable. C’est la plus compliquées car elle possède deux possibilités de régulation qui doivent être accordées ensemble pour détenir les meilleurs résultats.

Turbines Kaplan		Coupe schématique d'une turbine Kaplan

Cette roue Kaplan conçue pour la centrale de Grand Rapids au Manitoba, a été photographiée en atelier. Elle comporte 6 pales dont l'inclinaison est ajustable par un mécanisme situé à l'intérieur du moyeu. Les efforts pour manœuvrer les pales en fonctionnement dépassent le millier de tonnes.