Tout le monde sait ce qu'est une turbine hydraulique. Elle constitue le composant essentiel des centrales hydroélectriques destinées à produire de l'électricité à partir de chutes d'eau. Toutefois il est plus compliqué d'en saisir le fonctionnement et l'utilité. C'est la turbine qui assure la transformation de l'énergie cinétique en énergie mécanique de mouvement rotatif. Par contre ce n'est pas elle qui assure la transformation en énergie électrique.

Définition de la turbine :

Appareil de transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique. En 1832, le physicien suisse Leonhard Euler ébauche la théorie de la réaction à partir de laquelle furent réalisées les premières turbines hydrauliques. Toujours la même année, le français Benoît Fourneyron invente la première turbine à réaction qui sera améliorée par Pierre Fontaine-Barron.

Classification :

On distingue essentiellement 2 types de turbines hydrauliques : les turbines à action et à réaction.

Les turbines à action transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif fixe (injecteur), avant d'actionner la partie mobile (roue) créant de l'énergie mécanique. C'est le cas des turbines Pelton.

Schéma d'une turbine Pelton à 6 injecteurs : 

Dans le cas d'une turbine à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l'entrée et la sortie, tel la turbine Francis ou la turbine Kaplan à écoulement axial. L'énergie cinétique de l'eau est pratiquement réduite à zéro, à cause du changement de vitesse que lui fait subir la turbine, et est transformée en énergie mécanique avec la mise en mouvement de la turbine.

Schéma d'une turbine Kaplan :

On peut résumer le fonctionnement d'une turbine à réaction grâce à ce schéma :

1] L'eau à haute pression arrive des cotés au dessus de la turbine

2] Le choc de l'eau sur les hélices fait tourner la turbine (transfert de l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique)

3] L'eau ressort à basse pression en dessous de la turbine 

Le choix de la turbine est crucial pour avoir une production d'électricité optimale. Dans la recherche d'un rendement toujours plus élevé différents types de turbines ont étés mis au point.

Le rendement, en physique, est une grandeur sans unité qui caractérise le rapport pour un système entre son efficacité réelle et son efficacité théorique maximale. C'est donc une grandeur comprise entre 0 et 1 (que l'on peut exprimer en %), la valeur  de 1 étant atteinte quand l'efficacité maximale est atteinte (cas limite idéal). Plus le rendement est élevé plus un système est efficace énergétiquement (c'est à dire qu'il y a peu de perte d'énergie, sous forme de chaleur par exemple)

Comparatif de rendements de différents types de turbines en fonction du débit 

a: Hélices ; b:  Turbine Francis ; c:  Turbine Kaplan ; d:  Turbine Pelton

On peut remarquer que la turbine de type Pelton possède un meilleur rendement énergétique. Toutefois meilleur rendement ne signifie pas qu'elle sera la plus efficace dans tous les cas, chaque turbine étant adaptée à une certaine utilisation.

Pour comprendre la spécificité d'une turbine (liée à la hauteur de chute) il faut étudier la vitesse spécifique (idéale) d'une turbine.

La vitesse spécifique n_s d'une turbine peut être définie comme la vitesse idéale d'une turbine, qui produirait une unité de puissance pour une unité de hauteur de chute.

La vitesse spécifique d'une turbine est donnée par les fabricants (parmi d'autres caractéristiques), et se réfère toujours au point d'efficacité maximum. Ceci permet de réaliser des calculs précis des performances de la turbine pour une plage de hauteurs de chute et de débits.

La vitesse spécifique est le critère le plus important pour trouver la turbine correspondant à un site hydraulique. 

Formule de la vitesse spécifique en unités métriques :

avec n la vitesse de rotation en tours par minute,
P la puissance en kW
h la hauteur de chute en mètres
Le facteur 0.2626 est seulement nécessaire lorsque la vitesse spécifique doit être ajustée en unités anglo-saxonnes

La notion de vitesse de roue est généralement interprétée comme suit :
- Turbine lente : n_s faible
- Turbine rapide : n_s élevé

Cette notion n'est pas dans le sens ou on penserait pouvoir l'entendre :
- Les roues lentes, en effet tournent généralement vite
- Les roues rapides tournent généralement lentement

Un exemple nous est donné par une roue d'une centrale du Rhin (basse chute), Kembs par exemple (1932)
Dans cette usine une seule roue a une puissance de 33000 KW sous 15 mètres de chute et un débit de 230 m3/s.
Elle tourne à 93.75 t/min. Le n_s est de 650. Son diamètre est de 6 mètres.

Vitesse spécifique typique :

• Les turbines actives ont le plus bas n_s, entre 1 et 10. Une turbine Pelton se situe aux alentours de 4.
• Les turbines Francis sont entre 10 et 100.
• Les turbines Kaplan sont au delà de 100.

Interprétation :

Plus la hauteur h est grande plus la vitesse spécifique n_s est faible. Les turbines Pelton ont le plus bas n_s, elles seront donc utilisées plus les chutes dites "hautes". La vitesse de rotation n doit être la plus basse possible pour que la vitesse spécifique soit faible. Or la vitesse de rotation augmente si on élève le débit d'eau. On peut donc en conclure que les turbines Pelton sont adaptées à un débit d'eau dit "faible".

En suivant le même raisonnement on peut conclure que les turbines Kaplan sont adaptées à des chutes faibles et des débits élevés. Quand aux Francis elle se prêtent à des situations intermédiaires, c'est à dire une chute relativement faible avec un débit moyen.

Graphique de comparaison des turbines en fonction de la hauteur de la chute et du débit :

Principe :

Cette turbine est du type "à action" ce qui veut dire qu'elle utilise le principe de la 2^ème loi de Newton pour extraire l'énergie d'un jet d'eau. L’énergie potentielle de l’eau venant d’une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l’action d’un jet d’eau sur les augets de la roue, qui en tournant donne de l'énergie mécanique.

Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites "hautes chutes", > à 400 m avec un faible débit d’eau (< 15 m³/s).

Une turbine Pelton comporte une roue mobile, munie d'aubes appelées "augets" sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à très grande vitesse, l'eau sur les augets. Le tout est entouré d'une bâche en tôle d'acier destinée à protéger la roue et à évacuer l'eau. 

Une roue à augets ? 

Les turbines Pelton utilisent la roue dite "à augets". Cette roue ressemble à un disque équipé d’augets ressemblant à des demi-coquilles de noix, placés en circonférence. La forme de ces augets est très évoluée et permet au jet d’eau qui les frappe de se séparer en 2 jets déviés sur les côtés de la roue. Le nombre d’augets répond à une formule issue de l’expérience des constructeurs, soit Z=15+D/2d, avec Z = nombre d’augets, D = Ø primitif, d = Ø du jet d’eau. Leur nombre varie de 15 à 25 en pratique. Le diamètre du centre des augets est appelé le Ø Pelton, diamètre qui sert à positionner l’axe du jet d’eau, axe qui doit être tangent à ce Ø Pelton.

Construite le plus souvent d’une seule pièce, les roues Pelton sont moulées par coulage, avec des matériaux ferreux fortement alliés en chrome et nickel. Le moulage de ces roues est une opération complexe et délicate, nécessitant des contrôles métallurgiques nombreux et coûteux. Les roues d’un diamètre important (> 1500mm) sont constituées d’une couronne moulée d’augets, couronne fixée entre deux disques servant de moyeu.

Roue à augets d'une turbine Pelton de 40kW :

L'injecteur ? 

L’injecteur a pour rôle d'alimenter la roue en eau et de permettre le réglage du débit. L'eau pénètre dans l’injecteur à faible vitesse et en sort à grande vitesse. Il y a donc dans l’injecteur transformation de l'énergie de pression en énergie cinétique, l'eau agissant essentiellement sur la roue par son énergie cinétique. La vitesse de l'eau à la sortie de l’injecteur ne dépend que de la hauteur de chute, elle est approximativement égale à .

Nous avons pu démontrer ceci grâce au théorème de Bernoulli, étudié précédemment dans la partie sur l’énergie cinétique.

Injecteur d'une turbine Pelton de 40kW :

La vitesse de rotation V_r de la roue doit être égale à la moitié de la vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur, de manière à optimiser le rendement :

avec V_i vitesse d’eau en sortie de l’injecteur

De cette manière, l'énergie cinétique de l'eau est entièrement transmise à la roue, la vitesse de l'eau devenant quasiment nulle au creux des augets.