Petites centrales hydroélectriques : les turbines

Petites centrales hydroélectriques : les turbines
Une turbine 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. 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 (hauteur
de chute et débit).
La turbine Pelton
Elle est utilisée pour des hautes chutes (10 à 500 m) et des faibles débits (20
à 1000 l/s).
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 ce qui a l’avantage de permettre une
liaison directe entre la turbine et la génératrice et d’avoir ainsi un encombrement réduit.

La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow
Turbine de faible et moyenne chute, de 1 à 150 m 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
Elles sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes (moins de 10 m) et des débits
importants (300 à 10 000 l/s).
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 présente l’avantage d’avoir de très bons
rendements.