Conception de turbines à impulsion

L’hydroélectricité, également connue sous le nom d’énergie hydroélectrique, est le processus de génération d’énergie électrique à partir de l’eau en mouvement et constitue l’une des plus grandes sources d’énergie renouvelable dans le monde. L’extraction de l’énergie de l’eau en mouvement nécessite des turbines hydrauliques, la plus simple étant la conception de turbine à impulsion composée d’une rangée de buses projetant de l’eau sur une rangée de pales.

La plupart des systèmes hydroélectriques utilisent de grands barrages pour retenir un réservoir d’eau. Ce réservoir d’eau est alimenté par les rivières et ruisseaux des environs. Cependant, des systèmes micro-hydroélectriques peuvent également être utilisés pour générer de l’électricité à partir de petits générateurs alimentés par l’eau, situés dans de petites rivières et ruisseaux au fond de votre jardin.

L’énergie hydraulique dépend des conditions locales, mais il est nécessaire d’avoir de l’eau courant pour que cela fonctionne. Il n’est pas nécessaire d’en avoir beaucoup, ou de grande pression, et cela ne doit pas être très proche de la turbine hydraulique, car des tuyaux et des conduits peuvent détourner l’eau.

Les projets d’énergie hydroélectrique à petite échelle peuvent généralement être classés en deux catégories : “courant de rivière” ou “stockage d’eau” (réservoir). Contrairement aux schémas de stockage d’eau qui utilisent des barrages ou des réservoirs pour accumuler l’énergie potentielle de l’eau, les schémas de courant de rivière exploitent l’eau qui est immédiatement disponible dans le flux naturel de la rivière.

L’utilisation des turbines hydrauliques pour la génération d’énergie possède une forte tradition historique, utilisant l’eau en mouvement pour faire tourner une roue ou un rotor, semblable à une hélice, afin de générer de l’énergie mécanique. Comme l’eau est incompressible, le rotor convertit l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique en faisant tourner un arbre de sortie pour produire de l’électricité.

Les rotors hydrauliques se présentent sous différentes formes et tailles selon le site et le type de turbine. Les deux types principaux sont ceux qui fonctionnent à l’air libre et ceux qui fonctionnent complètement immergés dans l’eau.

La turbine à impulsion est le type de turbine le plus couramment utilisé dans les systèmes domestiques et fonctionne dans l’air en étant projetée directement par un jet d’eau provenant d’une buse bien positionnée.

Une turbine à eau est l’élément principal de tout schéma d’énergie hydroélectrique, convertissant l’énergie de l’eau en puissance de rotation de l’arbre. La turbine à impulsion utilise l’énergie cinétique de l’eau dirigée (ou un autre fluide tel que la vapeur) pour la production d’énergie. Le choix d’une turbine appropriée pour un site hydroélectrique particulier dépend principalement de la hauteur de chute et des caractéristiques de flux du site.

Les turbines à impulsion sont mieux adaptées aux schémas avec de grandes hauteurs de chute, mais comme toutes les turbines ont une caractéristique de puissance-vitesse, le manque de hauteur peut être compensé par la pression et la vitesse des jets d’eau. Les turbines à impulsion peuvent être entraînées par un ou plusieurs jets à grande vitesse, et le type le plus courant de conception de turbine à impulsion est la roue Pelton.

La turbine à impulsion extrait de l’énergie de l’eau en convertissant d’abord la hauteur disponible en énergie cinétique sous la forme d’un jet à grande vitesse déchargé par la buse. Toute la chute de pression se produit dans la buse et le rotor fonctionne à pression statique constante. Le jet est dirigé vers des godets ou des coupes fixés autour de la périphérie du rotor, ces coupes étant conçues pour extraire un maximum d’énergie de l’eau.

Nous pouvons alors constater qu’à toutes fins pratiques, une turbine à impulsion est simplement un roues à eau standard avec des godets en forme de cuillère spécialement conçus. La roue Pelton est un type de turbine à impulsion qui est entraînée par un seul jet d’eau positionné dans le plan du rotor. Le jet à grande vitesse, possédant une quantité suffisante d’énergie cinétique, frappe successivement les godets à pression atmosphérique, produisant ainsi la rotation mécanique du rotor.

Lorsque l’eau frappe les godets fixés à la périphérie du rotor, de l’énergie mécanique est produite. Les godets d’une turbine à impulsion sont façonnés pour former un godet de type double hémisphérique. L’eau effectue un angle de 160^o à l’intérieur du godet façonné, qui est l’angle maximal possible sans que l’eau de retour n’interfère avec le jet entrant, et sort au bord extérieur du godet avant de tomber en tant qu’eau usée en dessous.

Pour une petite turbine hydrauliques, un arrangement à jet unique suffit à provoquer la rotation, mais la puissance d’un rotor donné peut être augmentée en utilisant plus d’un jet. Dans les configurations à jets multiples, les jets de buse peuvent également être connectés à un mécanisme de régulation de la vitesse pour réguler la quantité d’eau sortant de la buse, régulant ainsi la vitesse de rotation à une valeur maximale.

Ce type de turbine hydraulique utilise l’énergie de l’eau uniquement une fois. Cependant, des rendements atteignant 70-80 % peuvent être obtenus en utilisant plusieurs buses positionnées également autour du rotor.

En général, la vitesse de rotation optimale de la turbine à eau à impulsion est d’environ la moitié de la vitesse de l’eau et est donc utilisée pour de grandes hauteurs de chute et des vitesses d’eau élevées, mais avec des volumes d’eau relativement faibles.

Les turbines à impulsion sont largement utilisées dans les schémas micro-hydrauliques car elles présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de turbines hydrauliques. Par exemple, elles sont simples à concevoir, plus faciles à fabriquer et à entretenir, et possèdent une plus grande tolérance envers le sable et d’autres particules, comme des pierres et des graviers, dans l’eau.

Nous avons vu qu’une “turbine à impulsion”, similaire à la conception Pelton, peut être utilisée pour produire de l’énergie hydroélectrique. L’impact de l’eau dirigée sur les godets façonnés provoque la rotation du rotor, développant ainsi de l’énergie mécanique.

Le principal critère à prendre en compte lors du choix d’une turbine hydraulique pour une application particulière est la hauteur nette de chute de l’eau. De plus, les conceptions à plusieurs buses sont capables de fournir des rendements plus élevés dans certains sites de petite hydroélectricité.

Les turbines à impulsion à jet unique ne sont pas appropriées pour une utilisation avec un alternateur automobile pour générer de l’énergie électrique, car elles ont des vitesses de rotation plus basses ; la vitesse de rotation devra donc être augmentée à l’aide de réducteurs ou de poulies.

La turbine Pelton à jets multiples, et même les conceptions Turgo, conviennent pour des hauteurs de chute moyennes, car la conception du rotor Turgo permet une évacuation plus efficace de l’eau déchargée et donc un jet d’eau entrant plus grand. En conséquence, une turbine Turgo peut fournir une puissance équivalente à une turbine Pelton avec un rotor de plus petit diamètre.

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