Le saviez-vous ?

C’est parce qu’elle est vite apparue comme un substitut aux machines fonctionnant au charbon que l’énergie hydro-électrique fut initialement baptisée houille blanche. Cette révolution technologique fut le résultat d’une cascade d’innovations : la première d’entre elles, la turbine hydraulique, est due à l’ingénieur français Fourneyron qui, dès 1830, construisit une turbine à axe vertical dont la puissance de 50 CV surclassait celle des anciennes roues hydrauliques.

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Fonctionnement d'une turbine : le cas Pelton Imprimer Envoyer
Écrit par Vincent Boucton   
Lundi, 05 Janvier 2009 16:46

Principe :

Cette turbine est du type "à action" ce qui veut dire qu'elle utilise le principe de la 2ème 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).

 

Turbine Pelton avec 5 injecteurs 


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 :

Roue Pelton  Roue Pelton

 

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 :

Injecteur vu de profil Injecteur vu de face 

 


 

La vitesse de rotation Vr 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 Vi 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.

Mise à jour le Jeudi, 05 Février 2009 22:45