Comment fonctionne une turbine hydraulique ?

Les centrales hydroélectriques sont de véritables chefs-d'œuvre d'ingénierie qui ont révolutionné l'histoire de l'électricité. Encore aujourd'hui, l'hydroélectricité est l'une des plus importantes sources d'énergie dans le monde.

Les centrales hydroélectriques se composent essentiellement de réservoir, de barrages, de conduites forcées, de générateurs et de turbines. Alimentée par l'eau, cette dernière est sans doute le principal composant des centrales hydroélectriques. SirEnergies vous montre comment les turbines hydrauliques fonctionnent.

Quel est le fonctionnement général d'une turbine hydraulique ?

Les turbines hydrauliques font partie des turbomachines et, de ce fait, elles comportent leurs trois principaux composants :

• le distributeur,
• le rotor,
• éventuellement un diffuseur.

Évolution de la roue hydraulique, elles sont des machines dont le rôle est de transformer l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique.

Fonctionnement de la turbine hydraulique

L'énergie potentielle gravitationnelle est convertie dans un premier temps en énergie cinétique. L'eau en écoulement est accélérée à une vitesse maximale au sein d'un distributeur.

Cela permet de faire fonctionner le rotor d'un générateur qui se charge à son tour de transformer l'énergie mécanique emmagasinée en énergie électrique. Les turbines sont en général fabriquées sur mesure pour chaque centrale électrique, ce qui permet de garantir une efficacité maximale.

La roue est sans doute la pièce maîtresse de la turbine hydraulique. C'est elle qui tourne sous l'impulsion de la force de l'eau en mouvement. Selon le débit d'eau et la hauteur de la chute, on peut distinguer différentes turbines hydrauliques.

Les deux grands modèles de turbines hydrauliques

On distingue le plus souvent deux grands modèles de turbines hydrauliques : la turbine à action et la turbine à réaction. Dans une turbine à action, l'énergie potentielle totale est transformée en énergie cinétique dans le distributeur fixe. On n'observe aucune chute de pression entre l'entrée et la sortie de la roue. Plus concrètement, l'échange d'énergie se fait sous pression atmosphérique.

De même, ces turbines ne comportent pas de diffuseur contrairement aux turbines à réaction. Cet élément permet de récupérer une partie de l'énergie cinétique à la sortie de la roue et la hauteur qui existe entre celle-ci et le niveau aval du barrage. Le diffuseur crée une dépression à la sortie du rotor, ce qui lui vaut d'ailleurs le nom d'aspirateur ou de tuyau d'aspiration.

En ce qui concerne la turbine à réaction, l'énergie potentielle est partiellement convertie dans le distributeur et dans le rotor. Dans ce dernier, on observe un différentiel de pression entre l'entrée et la sortie. L'écoulement qui s'ensuit est alors dévié et accéléré dans le rotor.

Les turbines hydrauliques les plus populaires

Toutes les turbines largement employées dans les centrales sont des modèles à action ou à réaction. C'est notamment le cas de la turbine Pelton, de la turbine Francis, de la turbine Kaplan et de la turbine Crossflow.

La turbine Pelton

Les turbines Pelton sont en général utilisées dans les centrales de haute chute (de 130 à 2 000 mètres) et de faible débit. Elles sont bien indiquées dans le cas des barrages de haute montagne. La turbine Pelton est une machine à action dont l'axe peut être horizontal ou vertical. Ce type de turbine est composé d'une roue mobile et d'un distributeur fait d'injecteurs qui varient de 1 à 6.

Les injecteurs sont des tuyères convergentes qui transforment l'énergie hydraulique de pression en énergie cinétique. Disposés autour de la roue, ils émettent un jet à pression atmosphérique qui est dirigé vers le milieu des augets. Par une variation de la sortie des pointeaux, il est possible de réguler le débit et de régler le diamètre du jet.

Dans une turbine Pelton, la roue tourne à pression atmosphérique. Lors de son passage dans celle-ci, l'eau est toutefois déviée de presque 180°, ce qui lui permet de céder toute son énergie cinétique. Cela explique que ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur. La présence d'un boîtier suffit en général pour récupérer et canaliser l'eau.

La turbine Francis

Les turbines Francis sont très indiquées pour des hauteurs de chute (40 à 730 mètres) et débits moyens. On les rencontre fréquemment dans les centrales au bord de l'eau. Il s'agit d'une turbine à réaction de type radial dont l'axe est vertical.

Son distributeur est enroulé autour de la turbine. L'eau y entre par toute sa périphérie. Quant à sa sortie, elle se fait de manière axiale dans le diffuseur.

La turbine Francis est sans doute l'un des plus anciens modèles de turbines et aussi l'un des plus répandus. On la retrouve dans plusieurs configurations possibles (horizontal en mini-hydro, en axe vertical). Très robuste et efficace, son enfoncement se fait à environ 2 m sous le niveau aval. La roue peut dans certains cas se situer au-dessus de ce dernier.

La turbine Kaplan

Ce type de turbine est très répandu sur les chutes de faible hauteur (5 à 80 m) et à débit important. La turbine Kaplan est un modèle à réaction de type axial. Son axe est vertical et l'une de ses particularités est qu'elle offre la possibilité de régler l'angle d'inclinaison des pales, ce qui permet d'adapter le débit qui passe dans la turbine à celui de la rivière.

Les turbines Kaplan sont des machines assez courantes. Leur enfoncement d'environ 5 m sous le niveau aval est plutôt modéré. De plus, le pas de ses pales est ajustable, ce qui fait que le rendement de cette turbine est très peu sujet à des variations.

L'une des variantes de la turbine Kaplan est la turbine Bulbe. Il s'agit en effet d'un appareil Kaplan à axe horizontal. Elle a été conçue pour les aménagements de faible chute au fil de l'eau. Leur structure ressemble à celle d'un sous-marin.

Le bulbe est également caractérisé par un enfoncement plutôt important de la roue par rapport au niveau naval (approximativement 10 m).

La turbine Crossflow

La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow est une turbine dans laquelle l'eau est injectée dans un rotor cylindrique à axe horizontal qui passe à travers un convergent rectangulaire. L'écoulement dans ce type de turbine est dévié au contact des aubes périphériques. Le rotor dispose d'une trentaine d'aubes incurvées qui sont fixes et parallèles à l'axe de la rotation.

L'un des grands points forts de cette turbine réside dans sa simplicité. Elle ne comporte en effet que trois pièces en mouvement : le rotor et les deux volets de réglage du débit. Elle nécessite toutefois le plus souvent d'importants travaux de terrassement.

Pour aller plus loin, n'hésitez pas à consulter :

• Comment fonctionne un barrage hydroélectrique ?
• Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP)