Introduction: Turbines Kaplan pour Centrales Hydroélectriques & Énergie Renouvelable
Les turbines Kaplan ont été développées pour la première fois en 1913 par le professeur autrichien Viktor Kaplan. La turbine Kaplan se distingue des turbines à hélice à pales fixes car les pales peuvent être orientées dans leurs supports ; la turbine Kaplan est donc une turbine à pas variable. Ce type de turbine a trouvé une application généralisée au cours des 100 dernières années en raison de sa haute efficacité de fonctionnement même à très faibles hauteurs de chute.
Les turbines Kaplan convertissent l'énergie potentielle en énergie mécanique. Ce type de turbine est classé comme une turbine à réaction, car elle fonctionne dans un système de pression et repose sur un flux continu d'eau du côté aspiration au côté pression de la turbine.
En raison de la capacité de la turbine Kaplan à fonctionner efficacement à très faibles hauteurs de chute, elles conviennent particulièrement bien aux centrales au fil de l'eau et aux centrales de génération marémotrice ; ces types de centrales appartiennent au secteur de l'énergie renouvelable ('verte').
La turbine Kaplan est très similaire dans sa conception à l'hélice d'un navire. Comparées à d'autres moteurs principaux tels que les turbines à vapeur ou les moteurs à combustion, les turbines hydrauliques ont des vitesses de fonctionnement très faibles, généralement inférieures à 400 tr/min.
Hélice de Navire
Les turbines Kaplan peuvent être grandes. Les plus grandes turbines Kaplan au monde ont un diamètre de 8,6 m et fonctionnent avec une hauteur nominale de 34 m. Malgré cette faible hauteur de chute, chaque turbine génère 230 MW.
Quelles sont les principales parties d'une turbine Kaplan ?
Une turbine à hélice se compose d'un moyeu, de pales et d'un arbre. Une roue typique a généralement trois à six pales avec un diamètre total de la roue allant de deux à 11 mètres. Avec les turbines Kaplan, les pales se connectent à un moyeu central qui abrite les mécanismes nécessaires pour faire tourner les pales, mais il n'y a pas d'autres différences entre une turbine à hélice à pales fixes et une turbine Kaplan.
Un boîtier en spirale - également connu sous le nom de boîtier en volute - est utilisé pour fournir un flux d'eau uniforme à l'ensemble de la roue. Un flux uniforme est obtenu grâce à la diminution progressive de la section transversale du boîtier. À mesure que la section transversale diminue, la vitesse de l'eau reste constante et un flux d'eau uniforme est fourni à la roue.
Boîtier en Spirale
La vanne de régulation dirige l'eau vers la roue Kaplan. La vanne de régulation est utilisée pour démarrer, arrêter et réguler le débit d'eau vers la roue.
Un tube d'aspiration convertit une partie de l'énergie cinétique de l'eau évacuée en énergie de pression. Cette conversion augmente l'efficacité globale de fonctionnement de la turbine.
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Comment fonctionnent les turbines Kaplan ?
L'eau entre par un conducteur d'eau sous pression, connu sous le nom de conduite forcée. Elle s'écoule ensuite le long du boîtier en spirale et à travers la vanne de régulation. La vanne de régulation dirige le flux d'eau de manière tangentielle à travers les pales de la roue et une force résultante est appliquée à la roue. Cette force s'applique sous forme de couple sur l'arbre de la roue, ce qui entraîne la rotation de la roue.
Composants de la Turbine Kaplan
L'eau quitte ensuite la roue et entre dans le tube d'aspiration où une partie de son énergie cinétique restante est récupérée sous forme d'énergie de pression. Enfin, l'eau est évacuée vers le canal de fuite.
Notez que ce sont uniquement les pales de la roue qui convertissent l'énergie potentielle et cinétique de l'eau en énergie mécanique. Cela est réalisé grâce à la forme des pales et à la différence de pression créée lorsque l'eau s'écoule le long de la surface de la pale.
Production d'Énergie
Un arbre commun relie la roue à un générateur, lorsque la roue tourne, le rotor du générateur tourne également. Le rotor du générateur tourne dans un champ électromagnétique, lorsque le rotor se déplace à travers le champ magnétique, un courant est induit dans les enroulements du stator du générateur, à ce stade, l'énergie mécanique fournie par la turbine Kaplan a été convertie en énergie électrique. L'énergie électrique peut maintenant être transférée à travers un réseau national aux consommateurs finaux.
Le processus de production d'énergie est continu, ce qui conduit à une forme de production d'énergie constante, renouvelable et fiable.
Caractéristiques Intéressantes
Comparées à d'autres types de turbines hydrauliques, telles que les turbines Pelton et les turbines Francis, les turbines Kaplan sont capables de fonctionner à très faibles hauteurs de chute et à des débits élevés. Des rendements de fonctionnement dépassant 90% ne sont pas rares.
Débits et Hauteurs des Turbines Hydrauliques
Les turbines Kaplan sont des turbines à réaction, elles fonctionnent avec un corps d'eau complet des deux côtés aspiration et pression de la turbine. Les turbines à réaction sont des turbines à pression, tandis que les turbines à impulsion sont sans pression.
L'eau passe au-dessus de la roue à hélice dans une direction parallèle à l'arbre de la roue. Ce type d'écoulement est connu sous le nom d'écoulement axial, c'est pourquoi les turbines à hélice sont classées comme turbines à écoulement axial.
Impeller à Écoulement Axial (Roue)
Faire tourner les pales de la roue Kaplan change l'angle d'attaque (l'angle auquel la pale coupe l'eau), ce qui augmente l'efficacité des turbines lors du fonctionnement à des débits variables. L'angle d'attaque est appelé pas, c'est là que la hélice à pas variable (VPP) Kaplan tire son nom.
Faire varier le pas varie également la vitesse de la turbine et par conséquent la quantité d'énergie potentielle qui peut être convertie en énergie mécanique. Combiné avec une vanne de régulation variable, les conditions de fonctionnement d'une turbine Kaplan peuvent être étroitement contrôlées pour maximiser l'efficacité.
Section Transversale de la Turbine Kaplan
Ressources Supplémentaires
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine