Introduction
Cet article explore les différents types de turbines hydroélectriques, leurs conceptions, catégorisations et applications typiques. Les turbines à impulsion et à réaction sont examinées, ainsi que leurs caractéristiques distinctives. Les turbines Francis, Kaplan et Pelton sont analysées en détail, y compris leurs principes de fonctionnement.
Brève leçon d'histoire
Les roues à eau sont les précurseurs des turbines hydroélectriques modernes. L'équivalent moderne d'une roue à eau est appelé un « rotor de turbine ». Les conceptions des rotors de turbine ont considérablement évolué au cours des siècles, mais leur objectif reste inchangé : convertir l'énergie potentielle en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être utilisée pour effectuer un travail utile, comme entraîner les roues d'une pompe ou les rotors d'un générateur électrique. Dans cette vidéo, nous nous concentrerons sur les conceptions courantes de rotors de turbines hydroélectriques utilisées dans l'industrie de l'ingénierie énergétique.
Roue à eau
Rotors de turbines courants
Les trois rotors de turbines les plus courants sont les rotors Francis, Kaplan et Pelton. Les turbines Francis et Pelton ont été inventées au 19ème siècle par James Francis et Lester Pelton respectivement. Le rotor de type hélice à pas variable a été inventé par Victor Kaplan au début du 20ème siècle. Des rotors de type hélice fixe existent, mais seul le type à pas variable est appelé rotor de turbine Kaplan. Il existe d'autres conceptions de rotors comme les conceptions Deriaz et à flux transversal, mais elles sont moins courantes. Chaque rotor a des caractéristiques de fonctionnement différentes et est adapté uniquement à des plages de hauteurs et de débits définies ; il est cependant possible que plusieurs conceptions de rotors soient adaptées à une application commune.
Classification des rotors de turbines hydroélectriques
Les rotors de turbines hydroélectriques peuvent être classés de différentes manières :
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Les trois conceptions courantes de turbines hydroélectriques sont les conceptions Kaplan, Pelton et Francis.
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Il existe des turbines à réaction (Kaplan et Francis) et à impulsion (Pelton), qui sont respectivement sous pression et sans pression.
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Par le type de flux à travers ou sur les aubes ou godets du rotor (axial, mixte, tangentiel et radial).
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Par le débit volumétrique alimenté au rotor.
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Par la vitesse spécifique du rotor.
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Par la hauteur de pression de fonctionnement.
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Classification par énergie
Les turbines à réaction sont des turbines de type sous pression et reposent sur un corps continu d'eau de l'eau d'amont à l'eau d'aval. Les turbines à réaction utilisent la forme des aubes du rotor pour créer une différence de pression entre les côtés aspiration et refoulement des aubes. Le changement de pression à travers les aubes représente la quantité d'énergie convertie en énergie mécanique, bien que l'énergie cinétique soit également convertie en énergie mécanique par ce type de turbine. Les rotors Francis et Kaplan sont des rotors de type réaction.
Principe de fonctionnement des turbines à réaction
Les turbines à impulsion sont des turbines de type sans pression. Les turbines à impulsion reposent sur des jets d'eau dirigés tangentiellement vers des godets. Lorsque l'eau impacte chaque godet, les godets s'éloignent de chaque jet et un couple est appliqué à l'arbre du rotor, ce qui le fait tourner. Les rotors de turbines Pelton peuvent être entraînés par un ou plusieurs jets d'eau. Le rotor Pelton est le type de rotor à impulsion le plus courant.
Principe de fonctionnement des turbines à impulsion
Classification par flux
Les rotors peuvent être classés comme à flux axial, mixte, radial, transversal ou tangentiel. Lorsque l'eau s'écoule parallèlement au rotor, il s'agit d'un rotor à flux axial. Lorsque l'eau s'écoule radialement à travers le rotor, soit vers l'intérieur, soit vers l'extérieur, il s'agit d'un rotor à flux radial. Les rotors qui utilisent à la fois le flux axial et radial sont appelés rotors à flux mixte. En pratique, les rotors de type réaction sont généralement soit à flux axial, soit à flux mixte. Les rotors Kaplan sont classés comme rotors à flux axial, tandis que les rotors Francis sont classés comme rotors à flux mixte. Les rotors Pelton sont des rotors à flux tangentiel, car l'eau frappe les godets tangentiellement. Les rotors de turbines à flux transversal sont classés comme utilisant un flux transversal, car l'eau s'écoule d'un côté du rotor et sort de l'autre.
Classification par vitesse
La vitesse spécifique est donnée en révolutions par minute (rpm), elle se rapporte à la vitesse du rotor s'il était réduit à une taille où il génère une unité de puissance. Réduire le rotor à une taille où il ne génère qu'une unité de puissance nous permet de comparer la vitesse spécifique des rotors de turbines de différentes conceptions.
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Les turbines à basse vitesse spécifique sont celles dont la vitesse spécifique est inférieure à 50.
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Les turbines à vitesse spécifique moyenne ont une vitesse spécifique de 50 à 250.
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Les turbines à haute vitesse spécifique fonctionnent à des vitesses spécifiques supérieures à 250.
Classification par hauteur de pression
La hauteur de pression est mesurée par la différence d'élévation entre l'eau d'amont et l'eau d'aval. Une turbine à basse hauteur a une hauteur de fonctionnement de 30m ou moins, une turbine à hauteur moyenne a une hauteur de fonctionnement entre 30 et 300m, et une centrale à haute hauteur a une hauteur de fonctionnement supérieure à 300m.
Facteurs influençant l'efficacité
Indépendamment de la conception du rotor de turbine, la quantité d'énergie potentielle pouvant être convertie en énergie mécanique dépend de trois variables principales :
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Hauteur disponible
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Débit
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Efficacité du rotor de turbine
La hauteur est la différence d'élévation entre l'eau d'amont et l'eau d'aval. Le débit est déterminé par la section transversale des conducteurs d'eau et la vitesse d'écoulement. L'efficacité de la turbine dépend de la conception et de l'application du rotor de turbine, si le bon rotor est utilisé pour la bonne application, des efficacités supérieures à 90% peuvent souvent être atteintes pour toutes les conceptions de rotors courantes.
Rotors de turbines hydrauliques
Les turbines à impulsion, les turbines à réaction et les trois conceptions de rotors de turbines hydrauliques les plus courantes ont été brièvement discutées. Cet article va maintenant examiner chaque conception de rotor plus en détail.
Turbines Francis
Les rotors Francis se composent d'une série d'aubes fixes connectées à une couronne de rotor en haut, et à une bande de rotor en bas. Ce type de rotor convertit à la fois l'énergie de pression et l'énergie cinétique en énergie mécanique.
Principe de fonctionnement de la turbine Francis
L'apparence des rotors Francis peut varier considérablement, cela est dû aux conditions et à la vitesse à laquelle le rotor est censé fonctionner. Les rotors Francis ont une large plage de fonctionnement et peuvent être utilisés pour de nombreuses applications de hauteur et de débit, ce qui en fait un type de rotor très courant.
Contrairement à d'autres conceptions de rotors de turbine, la turbine Francis ne réduit pas sensiblement son efficacité jusqu'à ce que la charge diminue à environ 40%, et elle a la caractéristique unique de pouvoir agir à la fois comme une pompe et une turbine.
Rotor de turbine Francis
Les rotors Francis peuvent être utilisés sur une large gamme de pressions et de débits ; ils ont été utilisés pour des applications dépassant 800 MW.
Turbines Kaplan
Les rotors Kaplan se composent d'une série d'aubes montées sur un moyeu central. Chaque aube peut tourner dans son montage, ce qui signifie que le pas est réglable ; c'est le facteur différenciant entre les turbines Kaplan et les turbines de type hélice fixe. Typiquement, les turbines Kaplan utilisent entre trois et six aubes, bien que jusqu'à dix aubes soient possibles. Les aubes à pas réglable peuvent être utilisées pour réguler la vitesse de rotation du rotor, et ainsi réguler également la quantité d'énergie potentielle pouvant être extraite de l'eau en écoulement.
Principe de fonctionnement de la turbine Kaplan
Les turbines Kaplan sont utilisées pour des applications à basse hauteur où un débit moyen à élevé est présent ; cela en fait un choix idéal pour les centrales hydroélectriques au fil de l'eau et à marée. Les rotors Kaplan ont été utilisés pour des applications dépassant 200 MW.
Rotor de turbine Kaplan
Turbines Pelton
Les rotors Pelton ont l'apparence la plus distinctive de toutes les turbines hydroélectriques. La périphérie extérieure du rotor contient une série de godets connectés à un disque circulaire. Un jet d'eau est projeté sur ces godets depuis une buse de pulvérisation, et la force impulsive résultante appliquée au rotor le fait tourner. Le nombre de jets dépend de la taille du rotor Pelton, bien que typiquement entre un et six jets soient utilisés.
Principe de fonctionnement de la turbine Pelton
Une « aiguille » est utilisée pour démarrer, arrêter et réguler le débit d'eau à travers la buse. L'aiguille est un élément en forme de cône qui peut être inséré ou rétracté dans la buse afin de réguler le débit ; elle est généralement actionnée manuellement ou électriquement. C'est la buse qui convertit l'énergie de pression de l'eau en énergie cinétique, qui est ensuite convertie en énergie mécanique par le rotor. Notez que le rotor Pelton ne convertit pas l'énergie de pression en énergie mécanique, car il fonctionne dans des conditions atmosphériques. Au lieu de cela, l'eau est évacuée des godets du rotor Pelton directement vers une fosse de décharge, puis vers le canal de fuite.
Les turbines Pelton peuvent être installées avec une orientation horizontale ou verticale. Les unités plus petites ont tendance à être installées avec une orientation horizontale tandis que les unités plus grandes sont installées avec une orientation verticale.
Les turbines Pelton sont utilisées uniquement pour des applications à haute hauteur et faible débit. Les rotors Pelton ont été utilisés pour des applications dépassant 400 MW.
Résumé
Dans cet article, nous avons appris comment fonctionnent les turbines à impulsion et à réaction. Nous avons appris comment fonctionnent les turbines Francis, Kaplan et Pelton, et pour quelle application chaque turbine est adaptée.
Le contenu de cet article est tiré de notre cours d'introduction à l'ingénierie des centrales hydroélectriques.
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine