Conception de turbines hydrauliques

Conception de Turbines Aqua pour l’Énergie Hydroélectrique à Petite Échelle

Les systèmes hydroélectriques utilisent divers types de conception de turbines à eau pour produire une action de rotation à une vitesse de rotation moyenne à élevée. De plus, les turbines à eau, ou plus précisément les turbines hydro, peuvent être utilisées dans le cadre d’un système hydroélectrique domestique en installant un générateur électrique.

Contrairement à une pompe à eau qui est entraînée mécaniquement par un moteur électrique ou une éolienne et utilise la succion pour pomper l’eau, une conception typique de turbine à eau utilise des buses et une pression différentielle de l’eau pour produire une rotation mécanique et un rendement.

En d’autres termes, une turbine à eau convertit l’énergie de pression de l’eau en énergie mécanique. Il est important à ce stade de comprendre la différence entre une Conception de Turbine à Eau et un design de roue à eau que nous avons examiné lors du tutoriel précédent.

Une roue à eau est une grande roue circulaire en bois ou en métal avec des seaux fixés autour de sa périphérie qui tourne lentement lorsque le débit d’eau passe dessus ou en dessous, produisant un couple mécanique permettant d’entraîner des machines auxiliaires. Une turbine à eau, en revanche, est une machine beaucoup plus petite, légère, en fonte ou en acier dans laquelle l’énergie cinétique de l’eau est convertie en énergie mécanique par l’utilisation d’injecteurs correctement placés.

La turbine à eau est le cœur de toute centrale hydroélectrique. Elle est constituée de plusieurs pales en métal ou en plastique fixées à un arbre ou une plaque centrale tournante. L’eau qui passe à travers le boîtier de la turbine enfermée frappe les pales de la turbine produisant un couple et faisant tourner l’arbre grâce à la vitesse et à la pression de l’eau. À mesure que l’eau pousse contre les pales de la turbine, sa vitesse et sa pression diminuent (de l’énergie est perdue) pendant qu’elle fait tourner l’arbre de la turbine.

Cependant, en raison de l’importance du nombre de pales attachées à cet arbre central dans une conception de turbine à eau typique, cette rotation permet à la pale suivante derrière elle d’entrer en contact avec la pression d’eau entrante, entraînant la turbine à tourner encore plus et ainsi de suite.

Au fur et à mesure que la turbine continue de tourner, l’eau est piégée entre les pales de la turbine et est poussée le long du mouvement rotatif de la turbine. À un moment donné au cours de l’angle de rotation des pales de la turbine, l’eau rencontre une ouverture dans le boîtier, généralement située au centre, qui permet à l’eau de sortir et de retourner à la rivière ou au ruisseau d’où elle provient initialement.

Cette eau usée peut passer à travers le corps d’une turbine à eau en utilisant différents chemins d’écoulement, et en fonction du parcours réel de l’écoulement de l’eau à travers la turbine, les conceptions modernes de turbines à eau peuvent être catégorisées comme étant :

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  Turbines à Flux Axial – Le chemin d’écoulement de l’eau à travers une conception de turbine à écoulement axial est parallèle à l’axe de rotation, l’eau entrant dans la roue de la turbine par le côté.
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  Turbines à Flux Radial – Le chemin d’écoulement de l’eau à travers une conception de turbine à flux radial est perpendiculaire à l’axe de rotation de la turbine en entrant dans la roue de la turbine par le dessus.

Il existe de nombreuses conceptions de turbines à eau en service aujourd’hui, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients en fonction de ses exigences opérationnelles. La sélection du type correct de conception de turbine à eau est très importante pour le succès de tout système hydroélectrique à petite ou grande échelle.

La puissance mécanique de rendement optimale provenant de l’arbre tournant des turbines dépend d’une combinaison spécifique de hauteur de tête, de volume d’eau et de pression de l’eau entrant dans les pales de la turbine, qui ne peuvent être atteints qu’en sélectionnant le bon type de turbine à eau pour une installation donnée. Ensuite, en fonction du changement réel de la pression de l’eau au fur et à mesure qu’elle est utilisée par la roue des turbines, les conceptions modernes de turbines à eau peuvent être catégorisées comme :

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  Conception de Turbine à Réaction – dans ce type de conception de turbine à eau, les pales de la turbine sont entièrement immergées dans le flux d’eau et sont enfermées dans un boîtier sous pression. Une turbine à réaction est principalement alimentée par le changement de pression, appelé une “chute de pression”, à travers le corps du boîtier, car cette réduction de la pression et de la vitesse de l’eau libère de l’énergie provoquant une réaction (d’où le nom) en déplaçant les pales de la turbine. Le flux d’eau à travers une turbine à réaction peut être inversé en raison de l’angle des pales internes, de sorte qu’une turbine à réaction peut également être utilisée pour pomper de l’eau et vice versa.
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  Conception de Turbine à Impulsion – dans ce type de conception de turbine à eau, le flux d’eau frappe les pales de la turbine à partir d’un ou plusieurs jets d’eau connus sous le nom de buses. Ces buses convertissent l’eau à faible vitesse sous pression en un jet d’eau à grande vitesse dirigé directement vers les pales de la turbine en forme de cuillère ou de seau, générant un maximum de force sur les pales. La puissance mécanique fournie par une turbine à impulsion provient de l’énergie cinétique de l’écoulement d’eau. Une turbine à impulsion fonctionne dans un boîtier entièrement ouvert ou semi-ouvert, il n’y a donc pas de chute de pression dans une turbine à impulsion et en raison de son design de jet de buse ouvert, elle ne peut pas être inversée.

Types de Conception de Turbine à Eau

Outre le type de fonctionnement d’une turbine à eau, les turbines à eau sont souvent désignées par la conception, la structure et la disposition de leurs pales à l’intérieur du corps de la turbine. Des noms tels que : « Turbines Pelton », « Turbines Turgo » ou « Turbines Kaplan » font toutes référence au nom du designer et/ou de l’inventeur de cette conception particulière de turbine à eau. Voici certains des types de conceptions de turbines à eau les plus courants. Mais avant d’examiner les différents types de turbines à eau disponibles, nous devons d’abord comprendre un peu de jargon associé aux turbines à eau.

Le terme Hauteur est utilisé dans les applications d’énergie hydro pour définir la distance verticale que l’eau doit parcourir d’une élévation supérieure jusqu’à un point inférieur afin de libérer son énergie potentielle stockée. La différence entre ces deux élévations (la plus élevée moins la plus basse) est appelée “hauteur” du système.

En général, dans les systèmes d’énergie hydro et de puissance hydroélectrique, une faible hauteur signifie une distance verticale de moins de 30 mètres, une hauteur médiane signifie une distance verticale comprise entre 30 et 150 mètres, tandis qu’une haute hauteur signifie une distance verticale supérieure à 150 mètres.

La quantité de hauteur disponible dans un système d’énergie hydro détermine la quantité d’énergie disponible à partir de l’eau, car la puissance est proportionnelle à Hauteur x Débit. L’écoulement de l’eau à travers la turbine est généralement exprimé en litres par seconde (l/s) ou en mètres cubes par seconde (m³/s) et fait référence à la quantité ou au volume d’eau utilisé par la turbine pour faire tourner l’arbre.

Conception de Turbine à Eau Pelton

Conception de Turbine Pelton

Une Turbine à Eau Pelton, également connue sous le nom de Roue Pelton, et nommée d’après son inventeur Lester Pelton, est le type de turbine à roue ouverte le plus courant disponible. La Pelton est un type de turbine circulaire à impulsion dans laquelle la circonférence du bord extérieur de la roue est entourée d’une série de petites cuillères ou seaux en forme de cuillère répartis de manière égale qui recueillent l’eau.

L’énergie de l’eau est délivrée à ces cuillères en forme de cuillère sous une pression et une vitesse élevées à travers une ou plusieurs buses disposées autour de la circonférence de la roue. Chaque buse produit un jet d’eau qui est dirigé directement vers les cuillères individuelles.

Ces cuillères en forme de cuillère sont formées en deux moitiés de sorte que lorsque le jet d’eau frappe le milieu de chaque cuillère à son tour, la quantité d’eau se divise en deux. Chaque moitié de l’eau suit la forme courbée de la cuillère par presque 180^o et est déviée vers l’extérieur dans la direction d’où elle vient, provoquant une force d’impulsion contre la cuillère.

Ensuite, l’énergie potentielle générée par le jet d’eau est convertie en énergie cinétique à travers ces buses et presque toute l’énergie de l’eau en mouvement est utilisée pour propulser les cuillères. Les jets d’eau des buses poussent contre les cuillères de la turbine, faisant tourner la roue, produisant du couple et de la puissance.

En fonction de la hauteur de l’eau disponible et du nombre de buses positionnées tangentialement autour de la roue, la vitesse et la direction des jets d’eau provenant de ces buses peuvent être contrôlées pour permettre une vitesse constante plus lente, idéale pour la production d’énergie électrique. La vitesse d’une turbine Pelton peut être contrôlée en ajustant le débit d’eau vers les cuillères à l’aide des buses.

La turbine Pelton est une action de flux libre qui fonctionne dans l’air atmosphérique puisque les jets d’eau quittent les buses à grande vitesse mais à pression atmosphérique. L’eau usée quitte également les cuillères à pression atmosphérique, ce qui en fait une turbine à impulsion, car il n’y a pas de chute de pression dans la turbine. Dans une Conception de Turbine Pelton, la vitesse angulaire des cuillères est inférieure à la moitié de la vitesse du jet. Ainsi, ce type de conception de turbine à eau est à grande vitesse et fonctionne de manière fluide, ce qui le rend mieux adapté à des conditions de haute hauteur et de faible volume d’eau.

Conception de Turbine à Eau Turgo

Conception de Turbine Turgo

La Turbine à Eau Turgo est une autre conception de turbine à eau de type impulsion dans laquelle un jet d’eau frappe les pales des turbines. La conception de turbine Turgo est similaire à la roue Pelton précédente, mais cette fois, le jet d’eau provenant de la buse frappe une série de pales courbées ou inclinées au lieu des cuillères à un angle peu profond d’environ 20^o, plutôt que tangentiel, permettant à l’eau de frapper la pale inclinée d’un côté et de sortir de l’autre. Ces pales courbées captent l’eau pendant qu’elle passe à travers la turbine, faisant tourner l’arbre de la turbine.

Puisque le flux de l’eau à travers la roue des turbines entre sous un angle et sort sous un autre, l’écoulement du jet d’eau entrant n’est pas entravé par l’eau usée sortante, comme c’est le cas avec les turbines Pelton, permettant un débit plus élevé. De plus, en raison de ce débit plus élevé, une turbine Turgo peut avoir une roue de diamètre beaucoup plus petit qu’une Pelton équivalente pour la même puissance, leur permettant de tourner à des vitesses plus élevées. Cependant, la roue Turgo est moins efficace que la roue Pelton précédente.

Conception de Turbine à Eau Francis

Conception de Turbine Francis

La Turbine à Eau Francis, nommée d’après son inventeur James Francis, est un type de turbine à eau à écoulement radial de type réaction dans laquelle l’ensemble de l’assemblage de la roue de la turbine est immergé dans l’eau et entouré d’un boîtier spiral sous pression. L’eau entre dans le boîtier sous pression et est guidée à travers un ensemble de fentes fixes ou réglables appelées aubes directrices autour du boîtier qui orientent le flux d’eau vers les pales de la turbine sous le bon angle.

L’eau impacte un ensemble de pales de turbine courbées montées sur un arbre et glisse sur elles, changeant ainsi de direction et produisant une pression sur les pales fixes en raison de la force centrifuge, ce qui entraîne une rotation. L’eau entre dans les pales de la turbine radialement presque à tangent, mais pour augmenter l’efficacité, l’eau change de direction à l’intérieur de la roue de turbine et sort en parallèle (axialement) avec l’axe de rotation à une vitesse réduite.

Une turbine Francis est une turbine immergée similaire en conception à une turbine à hélice qui utilise la pression de l’eau et l’énergie cinétique pour faire tourner les pales. L’énergie du flux d’eau est transférée à l’arbre de sortie de la turbine sous forme de couple et de rotation. Les pales internes de la turbine sont fixes et ne peuvent pas être réglées, ainsi pour maintenir une vitesse constante de la turbine, le débit d’eau est ajusté en modifiant l’angle des aubes directrices du boîtier.

La Turbine Francis est adaptée aux applications de faible à moyenne hauteur, mais nécessite une quantité relativement importante d’eau. En fonction de son application, l’arbre d’une turbine Francis peut être monté horizontalement ou verticalement.

Conception de Turbine à Eau Kaplan

Conception de Turbine Kaplan

La Turbine à Eau Kaplan, nommée d’après son inventeur autrichien Victor Kaplan, est un type de turbine à flux axial de réaction qui ressemble beaucoup à une hélice de bateau. En conséquence, la Turbine Kaplan est également appelée Turbine à Hélice.

Le rotor en forme d’hélice de Kaplan a deux ou plusieurs pales fixes ou réglables. Semblable à la turbine Francis précédente, la turbine Kaplan peut également avoir un ensemble d’aubes directrices fixes ou réglables autour de l’entrée de la turbine pour contrôler sa vitesse de rotation.

Le fonctionnement d’une turbine Kaplan est l’inverse de celui d’une hélice de bateau. L’eau entre dans le passage de la turbine dans une direction radiale via les aubes d’entrée. L’angle et la position de ces aubes font que l’eau tourbillonne, produisant un tourbillon à l’intérieur du passage fermé, appliquant une force sur les pales de l’hélice angulaire. Comme les pales de l’hélice sont fixées dans ce passage à un arbre central, la force de l’eau tourbillonnante poussant contre les pales transfère de l’énergie aux pales, produisant une rotation et un couple.

Un des principaux avantages de la turbine Kaplan est qu’elle peut être utilisée dans des applications de très basse hauteur, à condition qu’il y ait des débits d’eau suffisamment importants à travers la turbine, sans avoir besoin de barrages et de seuils, ce qui a un impact négligeable sur l’environnement.

De plus, en fonction de la quantité ou de la variabilité de l’eau passant à travers la turbine, l’angle (angle d’attaque) des pales de l’hélice peut être ajusté, permettant un meilleur contrôle du flux d’eau et augmentant l’efficacité. Cependant, des pales d’hélice ajustables ajoutent de la complexité à la construction d’une conception de turbine Kaplan.

Conception de Turbine à Eau à Flux Croisé

Conception de Turbine à Flux Croisé

La Turbine à Eau à Flux Croisé, également connue sous le nom de Turbine Michell-Banki, d’après son fabricant, est un autre type de turbine à eau à impulsion dans laquelle l’eau frappe les pales des turbines transversalement.

Les turbines à flux croisé utilisent un rotor cylindrique en forme de tambour, similaire à la roue à aubes d’un ancien bateau à vapeur à roues à aubes, qui a un certain nombre de pales ou de lamelles appelées runners, installées longitudinalement autour de la circonférence du rotor en fonction de la taille de la roue de la turbine, qui может atteindre jusqu’à deux mètres de diamètre.

L’eau est alimentée à ces lamelles par une ou deux buses verticales rectangulaires pour entraîner un jet d’eau sur toute la longueur du runner. Ces buses dirigent l’eau vers les runners à l’angle optimal, provoquant leur mouvement et convertissant l’énergie potentielle de l’eau en énergie cinétique.

Après avoir frappé la première pale et dépensé son énergie, l’eau tombe à travers le tambour et sort de l’autre côté. La turbine à flux croisé utilise alors l’énergie de l’eau deux fois, une fois par le haut et une fois par le bas, pour faire tourner la roue de la turbine autour de son axe central, offrant ainsi une efficacité supplémentaire.

L’avantage principal de la turbine à flux croisé est qu’elle maintient son efficacité dans des conditions de charge et d’écoulement d’eau variables. Également en raison de leur construction relativement simple et de leur bonne régulation, elles peuvent fonctionner avec une très faible hauteur d’eau, ce qui les rend idéales pour des systèmes mini et micro-hydrauliques.

Choisir le Meilleur Type de Conception de Turbine à Eau

Le choix du meilleur type de conception de turbine à eau pour votre situation particulière dépend souvent de la quantité de hauteur et de débit disponible à votre emplacement, qui peut être au bord d’une rivière ou d’un ruisseau, ou si l’eau est canalisée ou acheminée directement vers votre emplacement.

D’autres facteurs incluent si vous souhaitez une “conception de turbine à réaction” fermée comme la turbine Francis ou une “conception de turbine à impulsion” ouverte, comme la turbine Pelton, ainsi que la vitesse de rotation de votre générateur électrique proposé.

En analysant tous ces facteurs ensemble, vous pouvez obtenir une indication de quel type de Conception de Turbine à Eau pourrait travailler le mieux pour votre situation particulière. Connaître la différence entre une turbine Pelton et une turbine Francis, par exemple, facilitera le choix.

Le tableau suivant donne une idée de base des différentes Conceptions de Turbines à Eau que nous avons discutées ci-dessus, les types les plus efficaces selon la hauteur de tête disponible et la pression de l’eau.

Conception de Turbine selon la Pression de Tête

Nous pouvons voir dans le tableau ci-dessus qu’il y a un chevauchement entre les turbines Pelton et à flux croisé, et encore entre les turbines Francis et Kaplan. Cela signifie que les deux types de turbines conviennent pour de telles combinaisons de hauteur de tête et de débit.

Une alternative aux différents types de turbines à eau décrites ci-dessus est l’utilisation de pompes à eau standard comme turbines à eau. L’utilisation inverse des pompes à eau comme turbines à eau pour des petites centrales hydroélectriques est devenue une alternative populaire aux turbines à eau plus coûteuses en raison de leur disponibilité et de leur prix abordable.

Malheureusement, l’utilisation de pompes à eau comme turbines présente quelques inconvénients, tels que leur efficacité qui est considérablement réduite par rapport aux turbines utilisant la même hauteur de tête, et que les pompes utilisées comme turbines sont plus sensibles à la cavitation et à la plage de fonctionnement.

La principale différence entre l’utilisation d’une pompe comme turbine réside dans le fait que l’eau qui s’écoule vers la pompe est déterminée par la hauteur de tête, dont il n’y a pas de contrôle, tandis qu’une turbine à eau a un contrôle de débit par le biais des buses et des pales, ce qui est l’une des raisons de son coût plus élevé.

Une dernière pensée, si la turbine à eau doit être utilisée avec un générateur électrique pour convertir l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique, un réducteur ou un système de poulies peut être nécessaire, car la vitesse de rotation de la turbine peut être trop faible par rapport à la vitesse de rotation requise par le générateur.

Dans le prochain Tutoriel sur l’Énergie Hydro, nous examinerons les systèmes de micro-hydro utilisés pour générer de l’hydroélectricité. Pour plus d’informations sur la Conception de Turbine à Eau et la manière de générer votre propre électricité en utilisant la puissance de l’eau, ou pour obtenir plus d’informations sur l’énergie hydro concernant les différentes conceptions de turbines disponibles, ou pour explorer les avantages et des inconvénients de l’énergie hydro, n’hésitez pas à cliquez ici pour commander votre exemplaire sur Amazon sur la manière de construire un générateur de turbine à eau et d’autres types de Conceptions de Turbines à Eau.