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UN turbine hydraulique est une machine tournante qui produit de l’énergie mécanique à partir d’eau en mouvement (rivière ou marée) ou potentiellement en mouvement (barrage). C’est le composant essentiel des centrales hydroélectriques destinées à produire de l’électricité à partir d’un écoulement d’eau. Il a été inventé par Benoît Fourneyron en 1832, qui installa sa première machine à Pont-sur-l’Ognon[1].
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A = générateur ; 1=stator ; 2=rotor ;
B=turbine ; 3=vannes réglables ; 4=aubes de turbine ; 5=débit d’eau ; 6=axe de rotation de la turbine et du générateur
Il existe deux types de turbines hydrauliques : les turbines à action et à réaction.
Les turbines à action ou à impulsion transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif statique (injecteur), avant d’actionner la partie mobile. C’est le cas de[2] :
- la turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à godets ;
- la turbine Banki, à flux transversal (l’eau traverse les pales de la turbine), est adaptée aux basses vitesses, Rendement 82% ;
- la turbine Turgo, conçue pour des hauteurs de chute moyennes ;
- les Turbine à vis d’Archimède, adaptée aux basses chutes à débits variables. Efficacité 86%;
- la turbine à roue de pression rotative, ou roue hydraulique : par réaction, les pales de la turbine sont partiellement immergées et utilisent la pression hydrostatique. Convient aux faibles hauteurs de chute et aux débits variables. Efficacité 85%[3]
- la turbine vortex, inventée par l’ingénieur britannique James Thomson[4]. Utilisé dans un bassin, il possède un canal d’amenée qui amène l’eau de la rivière dans un bassin rotatif circulaire. Un tourbillon/vortex se forme et le rotor tourne entraînant un générateur qui produira de l’électricité. Adapté aux basses chutes avec des débits variables. Efficacité 83%[réf. nécessaire].
Dans le cas d’une turbine à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l’entrée et la sortie, telle que :
- la turbine Francis, plus utilisée pour les chutes moyennes voire élevées, avec une roue à aubes simple ou double, efficacité 90-92 % ;
- la turbine Kaplan à flux axial avec une roue à aubes de type hélice, comme celle d’un bateau, dont les pales peuvent être orientées en fonction des débits utilisables. Il est parfaitement adapté aux basses chutes et aux gros débits.
- la turbine VLH : la turbine « très basse chute » (de l’anglais Tête très basse Turbine), breveté en 2003 : type de turbine (Kaplan à ouverture variable) apparue dans les années 2000-2005, afin de protéger l’environnement et notamment la faune piscicole (anguilles ou saumons montantes, truites, etc.), dans les rivières ou les ruisseaux (turbine piscivore). Ces éoliennes se caractérisent par un grand diamètre de roue (de 3 à 5 mètres de diamètre), une inclinaison à 45°une faible vitesse de rotation (34 tr/min), et faible vitesse d’écoulement de l’eau[5],[6],[7].
La turbine Wells, qui utilise le mouvement de l’air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical, n’est pas à proprement parler une turbine hydraulique.
Vitesse spécifique[modifier | modifier le code]
La vitesse spécifique d’une turbine peut être définie comme la vitesse d’une turbine idéale, géométriquement similaire, qui produirait une unité de puissance pour une unité de tête.
La vitesse spécifique d’une turbine est donnée par les fabricants (entre autres caractéristiques), et se réfère toujours au point d’efficacité maximale. Cela permet des calculs précis des performances de la turbine pour une gamme de têtes et de débits.
- (sans dimension)
avec :
- Ω : vitesse angulaire (rad/s)
- P : puissance (W)
En donnant aux constantes de cette formule la valeur numérique appropriée, la formule devient :
avec :
- vitesse de rotation en tours par minute,
- la puissance en kW
- la hauteur de la chute en mètres
La vitesse spécifique ainsi calculée à partir du débit, de la hauteur de chute et de la puissance/vitesse du générateur, permet de définir le type de turbine à utiliser ainsi que ses dimensions.
Les machines généralement bien conçues ont les valeurs suivantes[8] :
- Les turbines actives ont le plus bas , entre 1 et 10.
- Une turbine Pelton se trouve entre 2 et 20.
- Une turbine Banki se trouve entre 10 et 60.
Les turbines réactives ont le plus haut .
- Benoit Fourneyron : inventeur de la turbine le Monde – 10/03/2011
- [PDF]
Société Hydraulique d’Etudes et de Missions d’Assistance, » Dimensionnement des turbines « , au eduscol.education.fr/, (consulté le ). - Ooreka, « Roue à eau « , au comprendrechoisir.com (consulté le ).
- « La turbine vortex de Thomson « , au bea007.over-blog.com, (consulté le ).
- MJ2 Technologies, « Groupe électrogène turbo pour très basse chute : Le concept VLH » [PDF]au .mp-i.fr, (consulté le ).
- FED, « La technologie VLH pour la future centrale hydroélectrique de Rondeau « , au lenergieenquestions.fr, (consulté le ).
- Concours général des lycées 2013, « L’eau, une énergie qui jaillit d’une source » [PDF]au pedagogie.ac-aix-marseille.fr, (consulté le ).
- (dans) James B. Calvert – Turbines à impulsions : la roue Pelton
Moulins avec une turbine hydraulique[modifier | modifier le code]
– Turbine Fontaine de l’ancienne papeterie de Marnay – aujourd’hui Musée Maurice-Dufresne.
Articles Liés[modifier | modifier le code]
Liens externes[modifier | modifier le code]
Pierre Crausse & François Vieillefosse, De l’eau à la lumière, un siècle d’hydroélectricité en France, Toulouse, Nouvelles Éditions Loubatières, 2011, (ISBN 978-2-86266-649-5)