Les turbines hydrauliques

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme de licences génie mécanique et industrie

LES TURBINES HYDRAULIQUES

Depuis la roue à aubes entraînant un moulin, les machines hydrauliques ont subi une évolution technique considérable.

Il est donc important pour l’ingénieur s’occupant de l’acquisition d’une turbine, de posséder un certain nombre de connaissances au sujet de ces machines, de leur implantation et de leur fonctionnement. En collectant de l’eau dans un barrage, il est possible d’extraire l’énergie potentielle stockée pour produire de l’électricité en phase avec la demande.

Les turbines hydrauliques servent à transformer l’énergie potentielle de l’eau en énergie mécanique lors de l’écoulement d’un réservoir supérieur à un réservoir inférieur. Il existe actuellement plusieurs types de turbines hydrauliques, regroupés en deux catégories : les turbines à action et les turbines à réaction, et pour chaque type, une large plage de caractéristiques. La turbine entraîne un générateur qui convertit ensuite cette énergie en électricité qui peut être utilisée sur place ou vendue

Les turbines à Action

Les turbines à action sont dénoyées, c’est à dire qu’elles ne sont pas entourées d’eau. L’énergie produite dépend uniquement des conditions de l’écoulement avant la roue.

Un jet libre agit sur des augets ou des aubes profilées placées sur la périphérie d’une roue (action). Ce jet exerce une force sur l’auget en mouvement de rotation, qui est transformée en couple et puissance mécanique sur l’arbre de la turbine. La turbine à action est caractérisée par le fait que l’énergie à disposition de l’aubage est entièrement sous forme d’énergie cinétique. L’échange d’énergie entre l’eau et l’aubage a lieu à pression constante, généralement la pression atmosphérique. La roue de la turbine dénoyée tourne dans l’air.

Turbine Pelton

La turbine à action typique est la turbine Pelton. L’énergie potentielle de l’eau est transformée en jet qui frappe une roue, constituée principalement de godets et d’un moyeu, et l’entraîne en rotation.

L’un des moyens pour résoudre cette nécessité en énergie est d’utiliser l’énergie hydraulique et les turbines Pelton en particulier. En effet, ce type de turbine convient très bien pour les grandes hauteurs hydrauliques et les petits débits. Elles ont de plus un bon rendement pour les petites et moyennes puissances (de quelques centaines de watts à quelques centaines de kilowatts), ce qui est souvent le cas des applications dans les pays en voie de développement. Enfin, elles sont relativement faciles à réaliser localement.

Dans une telle turbine, le couple est généré par la force exercée par un jet d’eau provenant d’un injecteur sur un ensemble d’augets que l’on pourrait comparer à des sortes de cuillères fixées sur un rotor. Les augets sont profilés pour obtenir un rendement maximum tout en permettant à l’eau de s’échapper sur les côtés de la roue

Les turbines à Réaction

Une turbine à réaction est une machine fermée (noyée) qui utilise à la fois la vitesse de l’eau (énergie cinétique) et une différence de pression. Les turbines à réaction fonctionnent complètement immergées. Le transfert d’énergie à la turbine dépend des conditions de l’écoulement avant et après la roue.

Deux principes sont à la base de son fonctionnement :
a. La création d’un tourbillon au moyen d’une bâche spirale, d’aubages directeurs, ou les deux à la fois,
b. La récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les aubages d’une roue en rotation qui dévient les filets d’eau pour leur donner une direction parallèle à l’axe de rotation. Ces aubages se comportent comme une aile d’avion : l’écoulement de l’eau provoque sur le profil de l’aube une force hydrodynamique qui induit un couple sur l’arbre de la turbine.

Les turbines à réaction les plus fréquemment rencontrées sont les turbines Francis et les turbines axiales. La turbine axiale peut avoir les aubes fixes (turbine hélice) ou mobiles (turbine Kaplan).

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I – GÉNÉRALITÉS
1.1 Les turbines hydrauliques
1.2 Les turbines à Action
1.2.1 Principe de fonctionnement
1.2.2 Turbine Pelton
1.2.3 Turbine Crossflow
1.3 Les turbines à Réaction
1.3.1 Principe de fonctionnement
1.3.2 Turbine Francis
1.3.3 Turbines hélice et Kaplan
PARTIE II – ÉTUDES DES COMPOSANTS D’UNE TURBINE PELTON
2.1 La roue ou rotor
2.2 Les injecteurs
2.3 Générateur
2.4 Caisson de la turbine
2.5 Disposition du groupe Turbine-Générateur
2.6 Composition des matériaux
PARTIE III – ÉTUDE THÉORIQUE ET CINÉMATIQUE
3.1 Modèle de conduite
3.2 La dispersion du jet sur l’auget
3.3 Triangle de vitesse
3.4 Fonctionnement à chute et vitesse constantes
3.5 Équilibrage de la roue
PARTIE IV – DIMENSIONNEMENT POUR UN MICRO TUBINE PELTON
4.1 Classification des turbines
4.2 Rendement
4.2.1 Rendement de la turbine
4.2.2 Rendement du générateur
4.2.3 Rendement total
4.3 Vitesse spécifique et nombre de jet
4.4.1 Vitesse spécifique
4.4.2 Courbe de la vitesse spécifique
4.4.3 Nombre de jet
4.4 Etude injecteur et jet
4.4.1 Détermination du diamètre du jet :
4.4.2 Détermination du diamètre de la buse d’injecteur
4.4.3 Variation du débit en fonction de la position du pointeau
4.4.4 Technologie de l’injecteur
4.5 Détermination du diamètre de l’arbre
4.5.1 Calcul des puissances
4.5.2 Calcul des moments
4.5.3 Disque de centrage
4.6 Dimension de la roue et de l’auget
4.6.1 Diamètre de la roue
4.6.2 Dimensionnement et nombre d’auget
4.6.3 Dimensionnement et nombre des boulons
PARTIE V – AVANTAGES D’UNE MICRO TURBINE PELTON
5.1 Principaux atouts de la microcentrale hydraulique
5.1.1 Environnement
5.1.2 Economie
5.1.3 Distribution d’électricité
5.1.4 Logistique
5.2 Avantages du Pelton multi-jets
5.3 Perspectives à Madagascar
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
ANNEXE I TURBINE PELTON
ANNEXE II ROUE PELTON
ANNEXE III TURBINE PELTON
ANNEXE IV INJECTEUR
ANNEXE V NOMENCLATURE
ANNEXE VI NOMENCLATURE
ANNEXE VII AUGET
ANNEXE VIII BUSE
ANNEXE IX GUIDE A AILETTE

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