La turbine Francis est une turbine hydraulique utilisée dans les installations hydrauliques fonctionnant avec une hauteur de chute considérable.
Cette turbine a été développée par James Bicheno Francis. La fonction de la turbine Francis est principalement de produire de l'électricité à l'aide d'un générateur.
La turbine Francis est le type de turbine le plus courant installé dans les centrales électriques qui fonctionnent sur la base du débit massique d'eau à travers une installation de production.
Contrairement à la turbine Pelton, la turbine Francis fonctionne de manière optimale lorsqu'elle est entièrement remplie d'eau à tout moment.
Performances d'une turbine Francis
La performance d’une turbine Francis est généralement mesurée par son efficacité hydraulique, qui dépend de la façon dont elle convertit l’énergie de l’eau en énergie mécanique.
Une étude de diverses centrales hydroélectriques a montré que dans des conditions idéales, les turbines Francis peuvent atteindre des rendements allant jusqu'à 93 à 95 % . Cela se produit lorsque le débit d'eau et la hauteur de chute se situent dans une plage optimisée, où la turbine fonctionne à proximité de son point de conception. Dans ces conditions, la conversion de l’énergie hydraulique en énergie mécanique est extrêmement efficace et les pertes d’énergie dues au frottement et à la turbulence sont minimes.
Toutefois, lorsque la turbine est exploitée en dehors de sa plage de conception, par exemple en cas de débits fluctuants ou de changements de hauteur de chute, l'efficacité peut diminuer considérablement.
Dans des conditions de charge partielle, le rendement peut chuter jusqu'à des valeurs de 85% à 90%. Dans certains cas extrêmes, lorsque la turbine fonctionne à des débits très faibles ou à des hauteurs manométriques très élevées (en dehors des paramètres de conception optimaux), le rendement peut même chuter en dessous de 80 %.
Une étude d'une centrale hydroélectrique dans les Alpes suisses a montré qu'avec des débits très variables, les performances d'une turbine Francis peuvent être affectées, mais restent toujours dans une plage d'efficacité comprise entre 85% et 90%, soulignant son adaptabilité.
En comparaison, d’autres turbines, telles que les turbines Kaplan, peuvent être légèrement plus performantes dans des situations de débit variable, mais avec des limitations de hauteur de chute.
Type de turbine
La turbine Francis est classée comme une turbine à réaction . Cela signifie que l’énergie hydraulique convertie en énergie mécanique provient non seulement de la vitesse de l’eau, mais aussi de la différence de pression.
Contrairement aux turbines à impulsion, où l'eau frappe les pales à grande vitesse, les turbines à réaction comme la turbine Francis profitent à la fois du changement de pression et du débit de l'eau pour générer du travail. Dans une turbine à réaction, le fluide suit un chemin à l'intérieur de la machine et lorsqu'il traverse les pales, sa pression diminue et sa vitesse augmente, ce qui entraîne la conversion de l'énergie de l'eau en énergie de rotation.
Ce type de turbine est très efficace à des hauteurs de chute moyennes à élevées, caractéristiques de nombreuses centrales hydroélectriques, et peut fonctionner dans diverses conditions hydrauliques, s'adaptant à différents débits et hauteurs de chute.
Conception d'une turbine Francis
La conception de cette turbine est hautement spécialisée pour maximiser son efficacité dans une large gamme de conditions de fonctionnement.
La turbine possède un rotor, qui est un ensemble de pales courbées disposées de telle manière que l'eau les traverse selon un angle qui optimise la conversion d'énergie. L'eau entre radialement (perpendiculairement à l'axe de la turbine) puis devient un écoulement axial (le long de l'axe). Cette conception est idéale pour les situations de hauteur de chute moyenne à élevée, où l'eau entre sous pression et est efficacement convertie en énergie mécanique.
De plus, la turbine Francis est dotée d’un carter en spirale qui guide le flux d’eau uniformément vers le rotor, contribuant ainsi à réduire les pertes d’énergie dues aux turbulences et à améliorer l’efficacité globale du système. Cette conception du boîtier et des pales permet à la turbine de fonctionner de manière stable même lorsque les conditions de débit et la hauteur de chute varient.
Applications des turbines Francis
Les grandes turbines Francis sont conçues sur mesure pour maximiser l'efficacité en fonction des caractéristiques spécifiques du site, telles que l'approvisionnement en eau et la hauteur de chute disponible. Leur capacité à s’adapter à différentes conditions de débit et de hauteur de chute en fait un choix idéal pour les centrales hydroélectriques à grande échelle.
En plus de leur utilisation principale dans la production d'énergie électrique, les turbines Francis sont largement utilisées dans les centrales hydroélectriques à accumulation par pompage .
Dans ce type d’installation, deux réservoirs situés à des hauteurs différentes sont utilisés. Pendant les périodes de faible demande énergétique, l’excédent d’énergie disponible est utilisé pour pomper l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Dans ce processus, la turbine Francis agit comme une pompe, utilisant un générateur électrique qui fonctionne comme un moteur pour pomper l'eau.
Lorsque la demande d’électricité augmente, le générateur d’électricité s’inverse et commence à produire de l’électricité en utilisant l’eau stockée dans le réservoir supérieur. Ce système de stockage permet d’équilibrer les fluctuations de la demande énergétique, faisant des turbines Francis une option efficace et flexible pour les centrales hydroélectriques qui doivent fonctionner dans différentes conditions de charge.
Avantages et inconvénients de la turbine Francis
Principaux avantages
- Facilité de contrôle dans des conditions variables : La turbine Francis est très facile à contrôler, même lorsque la hauteur manométrique et le débit d'eau fluctuent, permettant son fonctionnement efficace dans diverses conditions de fonctionnement.
- Stabilité de rendement élevé : La variation de son rendement au fil du temps est minime, garantissant des performances fiables et durables tout au long de sa durée de vie utile.
- Taille compacte : La taille de la roue de la turbine Francis est relativement petite par rapport aux autres types de turbines, ce qui permet une installation plus compacte et moins coûteuse.
- Faibles coûts de maintenance : Par rapport aux autres turbines hydrauliques, les turbines Francis nécessitent relativement peu de maintenance, ce qui contribue à une rentabilité accrue et à une réduction des coûts d’exploitation.
Principaux inconvénients
- Conception spécifique pour un débit spécifique : Les turbines Francis sont conçues pour fonctionner de manière optimale à un débit spécifique. Ils ne constituent pas le meilleur choix pour les installations soumises à de grandes variations de débit, car les performances peuvent diminuer considérablement dans de telles conditions.
- Limitations avec des hauteurs de chute supérieures à 800 m : Bien qu'efficace pour des chutes moyennes à élevées, la turbine Francis présente des problèmes de performances lorsqu'elle est utilisée à des hauteurs supérieures à 800 mètres, en raison des pressions élevées qui peuvent être générées.
- Risque de cavitation : Comme les autres turbines à réaction, les turbines Francis peuvent souffrir de cavitation, un phénomène qui se produit lorsque la pression de l'eau à l'entrée de la turbine chute trop bas, provoquant la formation de bulles de vapeur qui endommagent les pales et réduisent l'efficacité.
- Sensibilité à l'eau sale : L'entrée d'eau avec des particules ou des impuretés peut causer des problèmes importants à la turbine, car ces particules peuvent endommager les composants internes, tels que les pales et la roue, réduisant ainsi la durée de vie de la turbine et affectant ses performances.
Pièces d'une turbine Francis
La turbine Francis, conçue par James B. Francis, se compose de plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour optimiser son efficacité et sa conversion d'énergie. Ses principales parties sont décrites ci-dessous :
- Chambre en spirale : Cette pièce a pour fonction de répartir le fluide le long de l'entrée du rotor. Sa forme en spirale ou en escargot garantit que la vitesse moyenne du fluide reste constante lorsqu'il se dirige vers le rotor. Cela permet à l’eau de s’écouler uniformément, réduisant ainsi les pertes et garantissant des performances efficaces à l’entrée du système.
- Prédistributeur : Composé de lames fixes, le prédistributeur a une fonction structurelle clé, car il prépare le flux d'eau avant son entrée dans le distributeur. Sa conception hydrodynamique est optimisée pour minimiser les pertes hydrauliques et garantir que le fluide atteint efficacement le composant suivant, avec un écoulement laminaire qui réduit les turbulences.
- Distributeur : Le distributeur est constitué de pales mobiles qui dirigent l'eau vers les pales fixes de la turbine et régulent le débit admis. Il ajuste également la direction du flux pour améliorer les performances globales et permettre à la turbine de répondre aux variations de charge sur le réseau électrique. Ce composant, connu sous le nom de distributeur Fink , est essentiel pour réguler la puissance de la turbine en fonction des conditions de fonctionnement.
- Rotor ou impulseur : C'est le composant fondamental dans lequel s'effectue l'échange d'énergie. Le rotor convertit l’énergie hydraulique, qui comprend la pression et l’énergie cinétique de l’eau, en énergie mécanique de rotation. Cette énergie de rotation est transférée à un générateur électrique, la convertissant en énergie électrique. La conception des pales de la turbine permet une conversion efficace et stable de l’énergie du fluide.
- Tuyau d'aspiration : C'est la sortie de la turbine, par laquelle l'eau, une fois utilisée pour générer de l'énergie, est évacuée du système. La conception du tube d'aspiration est optimisée pour réduire les pertes d'énergie à la sortie du flux, garantissant ainsi le fonctionnement efficace de la turbine tout au long du processus.