Turbine

Les turbines hydrauliques

La turbine est un élément essentiel de la centrale hydroélectrique qui transforme l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique.

       Les types de turbines

Les turbines hydrauliques sont classées en deux familles :

  • les turbines à action, telles que les turbines type Pelton, Turgo et Banki-Mitchell, où l'énergie de l'eau, à la sortie de l'injecteur, est sous forme cinétique,
  • les turbines à réaction, comme les turbines à hélices ou de type Kaplan ou Francis, où l'énergie de l'eau, à la sortie du distributeur, est à la fois sous forme de pression et d'énergie cinétique.

Pour choisir la turbine, il faudrait prendre en compte des grandeurs caractéristiques, à savoir le débit turbinable et la hauteur de chute.

       Les grandeurs caractéristiques du projet

L'aménagement du Pont de Taule présente les caractéristiques suivantes fixées dans l'arrêté de 1883 et celui de 2015:

  • débit maximum turbinable $Q_{turbinable}= 1.2~m^3/s$,
  • hauteur de chute $H = 2.86~m$.

En effet, le propriétaire a signé en janvier 2015 un arrêté préfectoral qui fixe le débit max turbinable. Il ne pourra donc pas turbiner au-delà de cette valeur. En outre, ce même arrêté impose une puissance maximale brute de 33kW. Celle-ci résulte du calcul suivant :

$P_{max\_brute} = \rho*g*Q_{turbinable}*H = 1000*9.81*1.2*2.86 \approx 33 kW$

Nous appellerons par la suite cette puissance "puissance disponible".

Le canal étant étroit, de largeur 2m en entrée et 1.4m en sortie, une seule turbine pourra être installée.

Selon ces caractéristiques, deux turbines ont été envisagées :

  • une turbine Banki-Mitchell,
  • une vis hydrodynamique.

On propose donc 2 scénarios différents. On choisira ensuite le meilleur scénario après l'étude économique de chaque turbine.

       Les turbines Banki-Mitchell et vis hydrodynamique, pourquoi ?

La turbine Banki correspond bien à nos besoins, elle fonctionne pour des hauteurs de chute entre 1 et 150 m, s'adapte bien aux variations de débit par réglage de la vanne directrice. Elle peut produire jusqu'à 20 000 kW. Sa conception est simplifiée, ce qui minimise les besoins de maintenance. Elle est la plus économique parmi toutes les turbines. Son rendement maximal est de 85%. Elle est associée à un multiplicateur de vitesse. [2.4]

La turbine vis hydrodynamique correspond aussi aux caractéristiques de notre projet. Sa conception est simplifiée et son installation permet de réduire de 40% les travaux de génie civil. Son rendement peut atteindre 87%. Elle est de plus, ichtyocompatible. Le seul inconvénient est qu'elle est trop chère. [2.2]

 

Description de la turbine Banki-Mitchell

Cette turbine a été inventée par l'ingénieur Australien Mitchell en 1903, développée par le professeur Hongrois Banki et améliorée et commercialisée par l'ingénieur mécanicien Allemend Ossberger en 1920.

C'est une turbine à action, à flux traversant. La relative simplicité de la turbine réside dans l'écoulement bidirectionnel de l'eau. L'eau traverse deux fois les pales de la turbine, ce qui d'ailleurs lui donne plusieurs avantages: installation simple, efficacité améliorée, nettoyage de la turbine et maintenance non nécessaire.

- Schéma de la turbine Banki-Mitchell -
[Source : Alejandro Barzi]

 

 

- Plan de la turbine Banki-Mitchell -
[Source :
[2.5] ]

 

Deux lames d’eau, de section rectangulaire, sont dirigées vers la périphérie de la roue de telle sorte que les aubages en arc de cercle soient attaqués tangentiellement par la vitesse relative W1. A la sortie du premier passage dans la roue, l’eau, qui conserve une certaine énergie cinétique, traverse en évitant l’arbre l’espace intérieur et attaque les aubages de telle sorte que la vitesse relative W3 soit tangente aux aubages du second passage, de forme bien évidemment identiques à celles du premier passage. A nouveau, une partie de l’énergie cinétique est récupérée et l’eau quitte la roue. Dans ces conditions d’attaque des aubages du premier et du second passage, l’écoulement est bien guidé et l’on peut considérer que l’eau quitte les aubages avec des vitesses relatives tangentes aux aubes. [2.5]

Le débit minimum nécessaire au fonctionnement de cette turbine correspond à 15% du débit nominal soit 0.24 m^3/s.

 

- Comparaison des rendements des turbines Banki et Francis -
[Source : Ossberger]

 

Le débit des cours d'eau est souvent très faible pendant plusieurs mois. La turbine Banki a une capacité de production annuelle d'électricité supérieure à la turbine Francis, car sa courbe de rendement est plate, ainsi elle procure un bon rendement même sous charge partielle, ce qui est le contraire dans le cas de la turbine Francis.

 

- Dimensionnement de la turbine Banki JLA-52 -
[Source : JLA Hydro]

 

Description de la vis hydrodynamique

Cette turbine a été inventée par Archimède lors de son séjour en Égypte afin de permettre aux agriculteurs d'irriguer leurs terrains entourant le fleuve du Nil. Celle ci présente un avantage par rapport à la turbine Banki, sa faible vitesse de rotation, ce qui permet le transfert d'objets dans l'eau sans aucun problème.

Les turbines à vis sont similaires aux vis sans fin des pompes de bassin de décantation. La turbine à vis comprend un rotor placé dans le conduit d'écoulement et fixé à un palier à roulements supérieur et un palier inférieur, et relié à un générateur asynchrone par le biais d'un mécanisme de transmission.

Le moteur hydraulique à vis hydrodynamique n'exige aucun équipement de régulation spécial. Il suffit simplement d'installer une vanne d'évacuation d'urgence et une chute latérale au canal d'écoulement où se trouve la vis.

Si l'on choisit la boîte de transmission qui convient, le générateur asynchrone permet d'assurer, lors de son raccordement au réseau, une puissance optimale du moteur hydraulique de 10 à 100 % du débit de la turbine. [2.9]

- Schéma d'un aménagement dans le cas d'une vis hydrodynamique  -
[Source : Elléo]

 

- Énergie électrique aux bornes : puissance du générateur -
[Source :
[2.9] ]

Cette turbine s'adapte parfaitement aux conditions de notre projet où la puissance électrique nette de presque 25 kW correspond à un débit proche de 1 m3/s et une hauteur proche de 3m.

- Comparaison des rendements de différentes turbines en fonction des débits relatifs -
[Source :
[2.5] ]

 

Le rendement de la vis hydrodynamique est supérieur relativement aux autres rendements. Il atteint jusque 87% et comme on le remarque, la turbine vis s'adapte bien aux variations de débit.

- Évolution de la puissance en fonction des débits et de la hauteur de chute -
[Source : [2.5] ]

Cette turbine fonctionne optimalement pour des puissances faibles, car elle dispose d'une vitesse de rotation faible qui nécessite un multiplicateur de vitesse plus puissant que la turbine Banki pour compenser  les pertes.

A l'issue de notre étude préliminaire, il semble que les deux turbines envisagées présentent un grand intérêt pour le projet. L'étude économique déterminera alors lequel des deux scénarios sera à privilégier dans la mesure où l'objectif est de tirer profit de l'aménagement.