Introduction
Une turbine Pelton est un type de turbine hydroélectrique utilisée dans l'industrie de la production d'énergie. Contrairement à la turbine Francis et à la turbine Kaplan, les turbines Pelton sont des turbines à impulsion.
Bien que les turbines Pelton soient très efficaces, elles ne sont pas aussi courantes que les turbines Kaplan et Francis car la turbine Pelton nécessite une hauteur de chute très élevée (différence d'altitude entre le réservoir supérieur et inférieur) pour fonctionner ; cela limite son utilisation à certaines zones géographiques uniquement.
Les centrales hydroélectriques font partie du secteur des énergies renouvelables et sont considérées comme une forme de production d'énergie 'verte'.
Histoire
La turbine Pelton a été inventée par Lester Allan Pelton dans les années 1870. Lester Pelton n'était pas le premier à essayer d'utiliser l'énergie d'impulsion pour entraîner une turbine à eau, mais il fut le premier à créer une turbine à eau d'impulsion efficace.
Conception originale de Lester Pelton
Turbines à Impulsion
Les turbines à impulsion convertissent l'énergie cinétique en énergie mécanique. La partie de la turbine qui convertit l'énergie cinétique en énergie mécanique est connue sous le nom de roue. La partie de la turbine qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique est connue sous le nom de générateur.
La roue Pelton se compose d'une série de auges courbées montées sur la périphérie extérieure d'une roue de forme ronde. Pour cette raison, une roue Pelton est parfois appelée une roue Pelton.
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Composants de la Turbine Pelton
Auges
Les auges, ou pales d'impulsion, sont moulées en deux formes de coupe adjacentes. Ces auges 'capturent' le jet d'eau et dirigent le flux progressivement vers l'arrière. Grâce à la conception des auges, presque toute l'énergie cinétique de l'eau est exploitée sous forme de couple avant la décharge.
Roue
La roue Pelton est très lourde et agit comme un volant d'inertie. Un volant d'inertie stocke l'énergie de rotation et résiste aux changements de vitesse de rotation. La quantité d'énergie stockée dans le volant d'inertie est proportionnelle au carré de sa vitesse de rotation.
Arbre d'entraînement
L'arbre d'entraînement relie la roue de la turbine au générateur, ce qui permet de convertir l'énergie mécanique de la roue en rotation en énergie électrique. Les turbines Pelton peuvent également être utilisées comme moteurs principaux pour d'autres équipements rotatifs, par exemple une pompe mécanique.
Lance/Aiguille
La lance/aiguille contrôle le débit d'eau à travers la buse et donc la quantité de force exercée sur la roue. Toutes les roues Pelton n'ont pas de lance ou d'aiguille.
Régleur de lance
Le régleur de lance peut être actionné manuellement, électriquement ou hydrauliquement. Les grandes turbines Pelton actionnent le régleur de lance uniquement de manière hydraulique.
Comment Fonctionnent les Turbines Pelton
L'eau est acheminée à travers un conducteur d'eau sous pression appelé conduite forcée. La conduite forcée forme le côté aspiration de la turbine et relie le réservoir supérieur à la turbine. À l'extrémité de la conduite forcée se trouve une buse de pulvérisation.
La buse de pulvérisation convertit l'énergie potentielle de l'eau en énergie cinétique, cette énergie cinétique se manifeste sous la forme d'un jet d'eau à grande vitesse qui est pulvérisé hors de la buse et vers les auges de la roue Pelton. Le jet d'eau impacte la surface intérieure de chaque auge de manière tangentielle.
Centrale utilisant des turbines Pelton
Chaque auge se compose de deux moitiés séparées par une haute crête, appelée diviseur. Le diviseur divise le jet d'eau de sorte que le flux vers les deux côtés de l'auge soit uniforme. Une encoche sur chaque auge permet au jet d'eau de s'écouler dans chaque auge à un angle optimal. La forme en cuillère de l'auge fait que l'énergie cinétique du jet d'eau est convertie progressivement en énergie mécanique, à mesure que l'eau effectue un virage à 180 degrés dans l'auge. L'énergie mécanique se manifeste sous forme de couple sur l'arbre de la roue, ce qui provoque la rotation de la roue. Après avoir quitté l'auge, l'eau est évacuée par un puits de décharge.
Comme la roue Pelton est connectée sur un arbre commun à un générateur, le générateur commence à produire de l'électricité dès que la roue tourne. Le générateur convertit l'énergie mécanique fournie par la roue en énergie électrique, qui peut ensuite être transférée via un réseau électrique aux consommateurs finaux.
Réseau électrique
Contrôle du Débit
Une aiguille (ou lance) régule le jet d'eau de la buse. L'aiguille peut être rétractée pour permettre un débit complet, ou pressée contre la buse pour arrêter complètement le débit. En cas d'urgence, l'eau peut être pulvérisée à l'arrière des auges de la roue pour l'arrêter.
Impulsion Expliquée
La force appliquée sur une période de temps est connue sous le nom d'impulsion. L'impulsion est appliquée aux auges de la roue pendant toute la durée de l'impact du jet d'eau sur l'auge. L'impulsion provoque la rotation de la roue Pelton en modifiant son élan. En raison de la nature de l'impulsion, une grande force appliquée pendant une courte période de temps provoquera le même changement d'élan qu'une petite force appliquée sur une longue période de temps. Comme l'impulsion est utilisée pour changer l'élan des turbines Pelton, les turbines Pelton sont classées comme turbines à impulsion et les auges sont également appelées pales d'impulsion.
Auges de turbine Pelton
Caractéristiques Intéressantes
Les turbines Pelton sont adaptées aux applications à haute chute et faible débit. En général, elles sont installées dans des zones où les chutes soudaines d'altitude sont une caractéristique naturelle du terrain local.
Plages de débit et de chute des turbines hydroélectriques
La roue Pelton tourne dans l'air, dans des conditions atmosphériques, les turbines Pelton sont donc des turbines sans pression.
La plupart des turbines Pelton utilisent entre un et cinq buses.
Il est possible de monter une ou plusieurs roues Pelton sur un seul arbre.
L'efficacité des turbines Pelton dépasse souvent 90% lorsque les bonnes conditions de fonctionnement sont réunies.
Contrairement aux turbines à réaction, les turbines Pelton n'ont pas besoin de tube d'aspiration car elles fonctionnent dans un environnement sans pression.
Les turbines Pelton peuvent être orientées horizontalement ou verticalement. Les unités plus petites ont tendance à être orientées horizontalement, tandis que les unités plus grandes ont tendance à être orientées verticalement.
Les turbines Pelton peuvent être grandes. Les plus grandes roues Pelton au monde ont un diamètre de 4,6 mètres et fonctionnent avec une chute de plus de 1 800 mètres. Chaque roue est alimentée par une conduite forcée chargée à une pression de 200 bars. Cinq buses par roue créent des jets d'eau qui quittent chaque buse à 192 mètres/seconde. Chaque roue est évaluée à plus de 400 MW.
Composants du Modèle 3D
Ce modèle 3D montre tous les principaux composants associés à une turbine hydroélectrique Pelton typique, ceux-ci incluent :
- Entrée d'aspiration
- Décharge
- Roue Pelton (Auges et Roue)
- Paliers
- Carcasse
- Arbre d'entraînement
- Poignée de réglage de la vitesse
- Aiguille/Lance
Ressources Supplémentaires
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
https://themechanicalengineering.com/pelton-wheel-turbine
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel