Turbine hydroélectrique Pelton

Les turbines à impulsion sont des turbines hydrauliques qui utilisent l'énergie cinétique de jets d'eau à haute pression pour effectuer un travail. L'eau provenant de réservoirs à haute chute est guidée vers la turbine par des conduites forcées. L'eau à haute pression est convertie en jets à grande vitesse via les buses de la turbine, qui frappent ensuite les augets de la turbine, ce qui fait tourner la turbine et effectuer un travail.
Il existe trois principaux types de turbines à impulsion :Turbines hydroélectriques Pelton, Turbines hydroélectriques Turgo, et turbines Francis. Cette section présente les turbines Pelton et Turgo les plus couramment utilisées.

Roue et principe de fonctionnement

La figure 1 montre la roue d'une turbine Pelton, avec la vue de face à gauche et la vue de côté à droite. La roue est constituée d'un disque de roue et de plusieurs augets, elle est donc également appelée turbine à augets.

Figure-1 Roue de turbine Pelton

La figure 2 est une vue en coupe d'un auget. On peut voir sur la coupe transversale d'un auget que l'auget est composé de deux corps en forme de cuillère disposés côte à côte. Le flux d'eau est projeté dans les deux corps en forme de cuillère, entraînant la rotation de la roue.

Figure-2 vue en coupe d'un auget

La figure 3 est un schéma de principe de fonctionnement d'une turbine Pelton. Un flux d'eau à grande vitesse est pulvérisé vers les augets à travers la buse, réfléchi et déchargé par les augets. L'énergie cinétique de l'eau pousse les augets, ce qui permet à la roue de tourner. Les lignes bleues indiquent le flux d'eau pulvérisé par la buse et le flux d'eau réfléchi par la roue.

Figure 3 -- Principe de fonctionnement de la turbine Pelton

La figure 4 est un schéma montrant la direction du flux d'eau se jetant sur les augets. Le flux d'eau à grande vitesse éjecté de la buse se dirige vers les augets, est divisé par le bord d'entrée vers les surfaces de travail des deux côtés, puis est réfléchi hors des augets par les surfaces de travail. Après avoir été réfléchi par les augets, le jet à grande vitesse transfère son énergie cinétique aux augets, les poussant vers l'avant.

Figure-4 Jet de flux de la roue de turbine Pelton

Mécanisme d'injection

Le mécanisme d'injection, appelé buse en abrégé, est principalement composé d'une buse, d'une aiguille et d'un mécanisme de déplacement de l'aiguille. La taille de la sortie de la buse est modifiée en déplaçant l'aiguille à l'intérieur de la buse, modifiant ainsi le débit d'eau de la buse pour ajuster la puissance de la turbine. La figure 5 est un schéma du mécanisme d'injection, dans lequel l'aiguille est rétractée dans le tuyau et la buse est en position ouverte.

Figure 5 -- la structure de l'entrée du tuyau et du mécanisme d'injection

Le mouvement de l'aiguille est accompli par le mécanisme de déplacement de l'aiguille. Dans le schéma, l'aiguille est déplacée par commande manuelle : la rotation du volant permet à l'aiguille de se déplacer, modifiant ainsi le débit d'eau de la buse. Pour les turbines hydrauliques à grande échelle, des mécanismes servo hydrauliques ou électriques sont utilisés pour déplacer l'aiguille. Les mécanismes de déplacement susmentionnés sont installés à l'extérieur du tuyau et appartiennent au mécanisme d'injection à commande externe. Il existe un autre type de mécanisme d'injection installé à l'intérieur de la buse, qui n'a pas de tige d'aiguille s'étendant à l'extérieur du tuyau et ne nécessite pas de coude, ce qui apporte une grande commodité à la disposition des tuyaux. Cependant, il ne sera pas présenté ici.

À gauche de la figure 6, l'aiguille est en position de fonctionnement normale et le flux d'eau est dirigé vers l'auget. À droite de la figure 6, l'aiguille avance pour bloquer l'ouverture de la buse et la buse est en position fermée.

Figure 6—Contrôle du débit d'eau en déplaçant l'aiguille

Déflecteur

Présentons maintenant le déflecteur. Les turbines Pelton sont des turbines à haute chute avec une plage de chute allant de plusieurs centaines de mètres à plus de mille mètres. Les conduites du réservoir à la turbine peuvent atteindre un kilomètre à plusieurs kilomètres de long, et ces conduites doivent résister à une pression d'eau énorme, en particulier dans les sections inférieures. En cas de panne du réseau électrique entraînant un déclenchement, la source d'eau doit être coupée immédiatement pour arrêter la turbine ; sinon, la turbine perdra sa charge, ce qui entraînera une augmentation rapide de la vitesse de rotation et des dommages à l'unité. En raison de la grande longueur des conduites, la grande quantité d'eau en mouvement à l'intérieur ne peut pas s'arrêter rapidement. Si les conduites sont coupées rapidement, une pression d'eau extrêmement élevée sera générée, mettant gravement en danger la sécurité des conduites forcées. La seule solution est de rediriger l'eau pulvérisée vers la turbine afin qu'elle ne frappe pas la turbine, plutôt que de couper le débit d'eau.
L'installation d'un déflecteur devant la buse est la méthode la plus simple. En fonctionnement normal, le déflecteur est relevé, n'affectant pas le flux d'eau 喷出 de la buse, et la turbine fonctionne normalement (à gauche de la figure 7). Lorsque le déflecteur est abaissé, le flux d'eau de la buse est bloqué par le déflecteur et redirigé vers la sortie inférieure (à droite de la figure 7), et la turbine cesse de fonctionner. Le déflecteur peut être tourné vers la position de blocage en 1 à 2 secondes.

Figure 7 -- Principe de fonctionnement du déflecteur

La figure 8 est l'animation du principe d'une turbine Pelton. Les petites billes vertes indiquent le flux d'eau réfléchi par la face avant de la roue, et les petites billes orange indiquent le flux d'eau réfléchi par la face arrière de la roue. L'axe central du flux d'eau éjecté de la buse est tangent au cercle primitif de la roue. Le cercle primitif est le cercle passant par les points d'impact du jet sur la roue, d'où le nom de « turbine Pelton » (signifiant littéralement « turbine à impact tangentiel »).

La figure 9 montre un modèle de turbine à impulsion de petite et moyenne taille, qui est principalement composé d'un carter inférieur, d'un carter supérieur, d'une roue (à l'intérieur du carter), d'un tuyau d'entrée d'eau, d'une aiguille de buse et de son mécanisme d'entraînement, et d'une fondation en béton.

Des vues en coupe du carter inférieur et du carter supérieur, la roue, la buse et le déflecteur peuvent être vus, comme le montre la figure 10. Le dessin en coupe de la fondation en béton montre le canal d'évacuation et la sortie d'eau.

Le déflecteur est devant la buse. L'arbre du déflecteur traverse le palier sous la tête de pulvérisation, et le déflecteur peut tourner autour de l'arbre.

Turbine Pelton à jets multiples
Pour améliorer les performances des turbines, les grandes turbines à impulsion ont souvent de 2 à 6 buses. ci-dessous montre un schéma structurel d'une turbine à impulsion avec deux buses.