Une turbine hydraulique est une machine qui transforme l'énergie d'un écoulement d'eau en énergie mécanique au moyen d'un système de pales rotatives. Cette énergie mécanique peut être utilisée pour alimenter une autre machine ou un générateur électrique.
Une turbine simple est constituée d'un seul rotor avec des pales, qui assurent l'échange d'énergie avec le flux. Les pales de la turbine dévient le flux de courant pour transformer l'énergie cinétique et l'énergie de pression, ou pour échanger l'élan du fluide avec un moment de force sur l'arbre.
Le moment des forces exercées sur l’arbre provoque la rotation de la turbine, générant ainsi de l’énergie cinétique de rotation. Si la turbine est reliée à un générateur électrique, on obtient de l'électricité. Dans d’autres cas, cette énergie est utilisée directement pour obtenir un travail mécanique.
Dans la plupart des turbines hydrauliques, l’écoulement de l’eau est axial ou radial. Cependant, dans une turbine à flux transversal, l'eau traverse les pales de la turbine dans une direction transversale deux fois, d'abord dans la direction de l'axe, puis dans le sens inverse.
Comment fonctionne une turbine hydraulique ?
Une turbine hydraulique fonctionne en convertissant l'énergie de l'eau en énergie mécanique. Elle est utilisée principalement dans les centrales hydroélectriques pour produire de l'électricité. Voici comment elle fonctionne, étape par étape :
1. Flux d'eau
L'eau provenant d'une rivière, d'un réservoir ou d'un cours d'eau est dirigée vers la turbine à travers un conduit (tuyau ou canal). L'eau est souvent stockée dans un réservoir à une certaine hauteur, ce qui lui donne une énergie potentielle en raison de sa position élevée.
2. Chute de l'eau
Lorsque l'eau est libérée, elle chute en raison de la gravité. La hauteur de chute (ou différence de niveau) détermine en grande partie l'énergie de l'eau, car une plus grande hauteur génère une plus grande pression et vitesse d'écoulement.
3. Impact sur les pales
L'eau en mouvement frappe les pales de la turbine, ce qui entraîne leur rotation. Les pales sont conçues pour capter l'énergie de l'eau et la convertir en énergie cinétique (mouvement rotatif).
4. Rotation du rotor
Le mouvement de l'eau fait tourner un rotor (ou arbre), qui est relié à un générateur dans les centrales hydroélectriques. Ce rotor convertit l'énergie mécanique en mouvement.
5. Transmission de l'énergie
La rotation du rotor est transmise à l'arbre qui est connecté à un générateur. Ce dernier transforme l'énergie mécanique en énergie électrique grâce à un processus électromagnétique.
6. Évacuation de l'eau
Après avoir traversé la turbine, l'eau est évacuée et retourne à son état naturel ou est redirigée vers une autre partie du système.
Classification : types de turbines hydrauliques
Les turbines hydrauliques, utilisées dans les installations hydrauliques, peuvent être classées selon deux critères.
Une première classification selon leur mode de fonctionnement et ils peuvent être action ou réaction. Les turbines à action profitent uniquement de la vitesse du flux d'eau, tandis que les turbines à réaction profitent également de la perte de pression de l'eau à l'intérieur de la turbine.
Selon sa conception, une turbine peut être :
1. Turbine Pelton
Les turbines Pelton sont des turbines à flux transversal et à admission partielle. L'un des types de turbine hydraulique les plus efficaces.
La turbine Pelton est constituée d'une roue (roue ou rotor) munie de cuillères sur sa périphérie. Ces godets sont spécialement conçus pour convertir l’énergie hydraulique d’un jet d’eau qui frappe les godets.
Les turbines Pelton sont conçues pour exploiter de grands sauts hydrauliques à faible débit.
2. Turbine Francis
La turbine Francis est une turbine à réaction à flux interne qui combine les concepts de flux radial et de flux axial.
Il est constitué d'une partie fixe, avec des guides courbes appelés déflecteurs (ou distributeur), et d'une partie mobile avec des pales, également courbes, appelée rotor. L'inclinaison des déflecteurs peut être réglée pour ajuster le flux appliqué aux pales, régulant ainsi la vitesse de la turbine.
C'est un type de turbine très approprié pour les sauts moyens-élevés avec des débits moyens, étant capable de produire des puissances très élevées.
3. Turbine Kaplan
Les turbines Kaplan sont des turbines à eau à réaction à flux axial, avec un rouleau qui fonctionne de manière similaire à l'hélice d'un navire.
Ils sont utilisés dans les centrales hydroélectriques à petites chutes d'eau. Les larges pales ou aubes de la turbine sont entraînées par de l'eau à haute pression libérée par une porte.
L'eau coule dans la même direction que l'axe. En plus de pouvoir régler l'inclinaison des déflecteurs, l'inclinaison des pales du rotor peut également être réglée. De cette façon, la turbine s’adapte aux besoins énergétiques de chaque instant. Il est utilisé dans les installations avec de petites chutes et de grands débits d'eau, comme celles des réservoirs.
4. Turbine à hélice
Comme toutes les turbines hydrauliques, la turbine à hélice est constituée d'une bague de guidage avec des aubes directrices et d'un rotor. En fonction du débit, la turbine à hélice peut être conçue avec une simple régulation (réglage des aubes directrices) ou une double régulation (réglage des aubes directrices et de la vitesse de rotation du rotor).
Les aubes directrices ajustent le volume du débit d'eau entrant dans le rotor. En même temps, ils modifient la direction du flux pour qu'il pénètre dans le rotor avec son propre couple, ce qui fait tourner le rotor.
Du point de vue de l'efficacité, la turbine à hélice peut être comparée à une turbine Kaplan. De plus, la régulation électronique d'une turbine à hélice permet d'atteindre des points de fonctionnement à basse mer qui ne peuvent pas être atteints avec une turbine Kaplan.
Pièces d'une turbine hydraulique
Les principales pièces d'une turbine hydraulique sont :
- Rotor ou pales : Ce sont les pièces mobiles de la turbine. Ils sont conçus pour être frappés par le flux d'eau, ce qui les fait tourner. La forme des pales dépend du type de turbine, comme Pelton, Francis ou Kaplan.
- Arbre : Relie le rotor à un générateur ou à un système mécanique. L'arbre transmet le mouvement de rotation du rotor à la machine génératrice d'électricité ou à un autre dispositif utile.
- Carter : C'est la structure qui entoure et protège le rotor, maintenant la direction du flux d'eau et facilitant le transfert d'énergie de l'eau au rotor. Il permet également de contrôler le débit d’eau vers le rotor.
- Turbine (Corps) : Le corps est la partie de la turbine qui contient tous les composants. Généralement, c'est par là que l'eau entre, se dirige vers les pales et est expulsée après avoir transféré son énergie au rotor.
- Angle des pales : Dans certaines turbines, notamment les turbines Kaplan, l'angle des pales est réglable pour optimiser l'efficacité en fonction du débit et de la hauteur des gouttes d'eau.
- Conduit d'admission (tuyau ou canal d'admission) : C'est le conduit par lequel l'eau atteint la turbine, canalisant le flux d'eau vers les pales de la turbine. La pression et la vitesse de l’eau sont des facteurs importants pour les performances de la turbine.
- Régulateur ou gouverneur : C'est un système qui contrôle la vitesse de rotation de la turbine en ajustant le débit d'eau qui atteint les pales. Permet à la turbine de fonctionner à son efficacité maximale.
- Diffuseur : Dans certaines turbines, le diffuseur est situé à l'extrémité de la turbine et a pour fonction de réduire la vitesse de l'eau tout en augmentant la pression avant sa sortie dans l'environnement. Cela contribue à améliorer l’efficacité de la turbine.
- Vannes : Dans de nombreux systèmes hydrauliques, des vannes sont utilisées pour contrôler la quantité d'eau entrant dans la turbine. Les vannes sont également essentielles pour démarrer ou arrêter le fonctionnement de la turbine en toute sécurité.