Quels types de turbines sont utilisés dans l'hydroélectricité ?

Il existe deux principaux types de turbines hydroélectriques : les turbines à réaction et les turbines à action.

Le type de turbine hydroélectrique sélectionné pour un projet est basé sur la hauteur de l'eau stagnante – appelée « hauteur de chute » – et le débit, ou volume d'eau par unité de temps, sur le site. D'autres facteurs décisifs incluent la profondeur à laquelle la turbine doit être installée, l'efficacité de la turbine et le coût.

Voici quelques-unes des turbines les plus couramment utilisées dans le monde aujourd'hui.

• Turbine à réaction

Une turbine à réaction produit de l'énergie à partir des forces combinées de la pression et de l'eau en mouvement. Une roue est placée directement dans le courant d'eau, permettant à l'eau de s'écouler sur les aubes plutôt que de frapper chaque aube individuellement. Les turbines à réaction sont généralement utilisées pour les sites à faible hauteur de chute et à débits élevés et sont le type le plus courant actuellement utilisé dans les projets hydroélectriques.

Les deux types de turbines à réaction les plus courants sont la turbine hélice (y compris la Kaplan) et la turbine Francis. Les turbines cinétiques sont également un type de turbine à réaction.

Turbine hélice : Une turbine hélice a généralement une roue avec trois à six aubes. L'eau entre en contact avec toutes les aubes en permanence. Imaginez une hélice de bateau fonctionnant dans un tuyau. Dans le tuyau, la pression est constante ; si elle ne l'était pas, la roue serait déséquilibrée. Le pas des aubes peut être fixe ou réglable. Les principaux composants, outre la roue, sont une volute, des aubes directrices et un diffuseur. Il existe plusieurs types de turbines hélice :

Turbine bulbe : La turbine et le générateur forment une unité étanche placée directement dans le courant d'eau.

Turbine Kaplan : Les aubes et les aubes directrices sont réglables, ce qui permet une plus large gamme d'opérations.

Turbine Francis : La turbine Francis a été la première turbine hydroélectrique moderne et a été inventée par l'ingénieur britannico-américain James Francis en 1849. Une turbine Francis possède une roue avec des aubes fixes, généralement neuf ou plus. L'eau est introduite juste au-dessus de la roue et tout autour, puis elle tombe à travers, provoquant la rotation des aubes. Outre la roue, les autres composants principaux comprennent une volute, des aubes directrices et un diffuseur. Les turbines Francis sont couramment utilisées pour les situations à hauteur de chute moyenne à élevée (de 130 à 2 000 pieds), bien qu'elles aient également été utilisées pour des hauteurs de chute plus faibles. Les turbines Francis fonctionnent bien en orientation horizontale et verticale.

• Turbine à action

Une turbine à action utilise généralement la vitesse de l'eau pour déplacer la roue et se décharge à pression atmosphérique. Un jet d'eau frappe chaque auget de la roue. Sans aspiration du côté inférieur de la turbine, l'eau s'écoule par le bas du carter de la turbine après avoir frappé la roue. Une turbine à action convient généralement aux applications à haute chute et à faible débit. Les deux principaux types de turbines à action sont les turbines Pelton et les turbines à flux transversal.

Turbine Pelton : La turbine Pelton a été inventée par l'inventeur américain Lester Allan Pelton dans les années 1870. Une roue Pelton possède un ou plusieurs jets libres déversant de l'eau dans un espace aéré et frappant les augets d'une roue. Les turbines Pelton sont généralement utilisées pour des chutes très élevées et des débits faibles. Les diffuseurs ne sont pas nécessaires pour une turbine à action car la roue doit être située au-dessus du niveau maximal de la queue d'eau pour permettre un fonctionnement à pression atmosphérique.

Turbine Turgo : est un type de turbine à action et convient aux chutes de 50 à 250 m, entre la turbine Francis et la turbine Pelton.
La caractéristique est qu'un angle de 22,5° est formé entre l'axe central du jet de la buse et le plan de rotation de la roue. L'eau provenant de la conduite forcée est transformée en un jet à haute vitesse par la buse. L'eau est dirigée obliquement sur un côté de la roue et se décharge de l'autre. La force dynamique du flux d'eau fait tourner rapidement la roue.

Turbine à flux transversal : La turbine à flux transversal originale a été conçue par Anthony Michell, un ingénieur autrichien, au début des années 1900. Plus tard, Donát Bánki, un ingénieur hongrois, l'a améliorée, et elle a été encore améliorée par l'ingénieur allemand Fritz Ossberger. Une turbine à flux transversal est de forme cylindrique et utilise une section de buse allongée et rectangulaire dirigée contre des aubes courbes sur une roue de forme cylindrique. Elle ressemble à un ventilateur "cage d'écureuil". La turbine à flux transversal permet à l'eau de traverser les aubes deux fois. Lors du premier passage, l'eau s'écoule de l'extérieur des aubes vers l'intérieur ; le second passage va de l'intérieur vers l'extérieur. Une aube directrice à l'entrée de la turbine dirige le flux dans une partie limitée de la roue. La turbine à flux transversal a été développée pour gérer des débits d'eau plus importants et des chutes plus faibles que ce que la Pelton peut supporter.