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Les turbines sont un des éléments centraux des barrages. En effet, ce sont elles qui transforment la puissance mécanique brut de la chute d’eau en puissance mécanique disponible pour l’alternateur.

Un peu d’histoire

Le passage de la roue hydraulique à la turbine correspond à la rationalisation et à l’étude technique de celle-ci. Ces études s’appuient essentiellement sur les lois de la thermodynamique, et en particulier sur les travaux de Daniel Bernoulli et de Leonhard Euler au XVIIIe siècle. La première tentative importante visant à formuler une théorie pour la conception d’une roue hydraulique date du XVIIIe siècle : l’ingénieur civil britannique John Smeaton démontra que la roue entraînée par sa partie supérieure était plus efficace. L’ingénieur militaire français Jean Victor Poncelet dessina toutefois une roue actionnée par sa partie inférieure, dont les pales incurvées augmentaient le rendement de près de 70%. Cette roue connut rapidement un grand succès.
Un autre ingénieur militaire français, Claude Burdin, inventa le terme turbine dans le cadre d’un projet théorique dans lequel il mettait l’accent sur la vitesse de rotation. Benoît Fourneyron, qui étudia sous la direction de Burdin à l’Ecole des mines de Saint-Étienne, conçut et construisit des roues atteignant des vitesses de 60 tr/min et fournissant aux sidérurgistes français une puissance maximale de 40kW. Par la suite, Fourneyron construisit des turbines à 2300 tr/min, développant 44kW, avec un rendement supérieur à 80%.
En dépit de sa remarquable efficacité, la turbine de Fourneyron présentait certains inconvénients. Par exemple, lorsque le flux d’eau était réduit ou lorsque la charge était supprimée, l’efficacité de la turbine était beaucoup plus faible.

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Formules diverses :

Puissance brut :

On distingue la puissance brute d’une chute d’eau qui s’exprime
par :

Pb = ro * g * Q * Ht

avec :

• Pb la puissance brute (W),
• ro la masse volumique du fluide (1000kg·m-3),
• g l’accélération de la pesanteur (courament 9.81 m·s-2),
• Q le débit (m3·s-1),
• Ht la hauteur totale de chute (m).

Puissance nette :

Malheureusement, les conduits utilisés pour diriger l’eau entraine des pertes de puissances. De même, suivant le type de turbine utilisé, la restitution de la puissance n’est pas totale. L’ensemble de ces pertes sont appelées pertes de charges et sont exprimées en mètre. Donc la puissance réellement disponibles, la puissance nette, devient :

Pn = ro * g * Q * Hn

avec :

• Pn la puissance nette (W),
• ro la masse volumique du fluide (1000kg·m-3),
• g l’accélération de la pesanteur (couramment 9.81 m·s-2),
• Q le débit (m3·s-1),
• Hn la hauteur nette (m),Hn est en réalité la hauteur utile de chute diminuée des pertes de charge exprimées en mètres.

Puissance électrique récupérable :

La puissance électrique Pe récupérable doit tenir compte du rendement de la turbine et du générateur. Une formule approchée donne, pour un rendement estimé à 75 % pour une PCH (pertes de charge + rendement de la turbine et rendement du générateur) :

Pe = 10 * Q * H

avec :

• Pe la puissance électrique exprimée en cheval-vapeur,
• Q le débit (m3·s-1),
• H la hauteur brute (m).

Les Turbines :

Caractéristiques générales

Une turbine est composée d’un distributeur, d’une roue et d’un
diffuseur ou aspirateur.

Le distributeur a pour rôle de diriger les filets liquides pour qu’ils atteignent la roue avec la bonne vitesse et la bonne direction. La roue est composée d’augets ou de pales. La turbine transforme l’énergie cinétique et/ou de pression de l’eau en énergie mécanique.
Le diffuseur ou aspirateur sert à récupérer l’énergie cinétique et/ou de pesanteur que le fluide possède encore à la sortie
de la roue.

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Les turbines à actions :

Une turbine est qualifié de turbine à action si la pression à la sortie de la roue est égale à la pression à l’entrée de la roue.

Turbine Pelton

Pour les chutes supérieures à 200 mètres, on utilise, la turbine Pelton . Dans cette turbine à axe verticale, l’eau est amenée depuis un réservoir supérieur par un long tuyau, appelé conduite forcée jusqu’à une tuyère, où son énergie potentielle est convertie en énergie cinétique. Le jet obtenu est alors dirigé perpendiculairement à l’axe de la turbine, à l’aide d’un injecteur, sur des augets incurvés ( en général une vingtaine ). Le jet incident << rebondit >> contre les augets qui entraînent en rotation la roue sur laquelle ils sont fixés. On produit ainsi de l’énergie mécanique à partir de l’énergie cinétique du jet incident. L’action de la roue de Pelton dépendant surtout de l’action du jet sur la roue.
Ces turbines existent dans une gamme de puissance très variée : de 1kW à plus de 12MW. Adapté pour des chutes assez importantes : de 50m à plusieurs milliers de mètres. De plus elles peuvent s’adapter facilement sur des chutes à débits variables puisque leur rendement n’est pas trop influencé par les fluctuations de débits.

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Turbine Banki-Mitchell

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Turbine Turgo

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Turbine Girard

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Les turbines à réactions :

Turbine Francis

L’ingénieur américain James Bicheno Francis conçut une turbine à axe vertical, dans laquelle le flux était centripète (écoulement radial). Il s’agit de la turbine à réaction, ou turbine Francis. L’eau pénètre à la périphérie de la turbine et est évacuée le long de son axe. Ce type de turbine fonctionne par augmentation de la pression de l’eau s’écoulant à travers les lames, engendrant une force de réaction qui entraîne la roue : les énergies cinétique et potentielle sont converties en énergie mécanique. La pression de l’eau à la sortie de la roue est abaissée par un système appelé aspirateur, ce qui revient à augmenter virtuellement la hauteur de la colonne d’eau. La turbine à réaction devint la turbine hydraulique la plus largement utilisée pour les pressions ou les hauteurs de chute équivalentes à une colonne d’eau de 15 à 500 mètres, créant des puissances de l’ordre du kilowatt à plusieurs centaine de megawatt.

Le diamètre de la roue varie de quelques centaines de millimètres jusqu’à environ 10 mètres.
Vitesse de rotation : entre 70 et 1000 tr/min.
Elle a un rendement qui varie de 80% à 95%.

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Turbine Kaplan

Semblables aux hélices de navire, les turbines hélice possèdent des pales fixes sur leur moyeu, et les turbines Kaplan des pales mobiles dont l’inclinaison réglable, en fonction du débit et de la hauteur, permet d’améliorer le rendement. Ce type de turbine est plus particulièrement destinée aux basses et très basses hauteurs de chutes, donc notament sur les centrales au fil de l’eau (fleuve).

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