Présentation
Auteur(s)
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André L. JAUMOTTE : Ingénieur civil - Professeur à l’Université libre de Bruxelles
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Pierre DECOCK : Ingénieur civil - Chef de travaux à l’Université libre de Bruxelles
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Lucien MEGNINT : Ingénieur des Arts et Manufactures - Ancien Adjoint au Directeur Technique de la Société Neyrpic
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Georges VERDURAND : Ingénieur des Arts et Manufactures - Ancien Directeur Technique des Ateliers Bouvier (actuellement Bouvier Hydro‐Grenoble)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article a été revu et augmenté par les deux derniers auteurs.
Sauf cas particulier, une turbine hydraulique comporte les trois organes caractéristiques des turbomachines, à savoir : un distributeur, le rotor et éventuellement un diffuseur. Rappelons que le rôle de ces divers organes a été succinctement analysé dans l’article Théorie générale des turbomachines [B 4 400].
Signalons cependant ici que si les turbines à action ne comportent pas de diffuseur, pour les turbines à réaction, par contre, le diffuseur existe toujours. Il sert à récupérer une fraction de l’énergie cinétique à la sortie de la roue et la hauteur géométrique existant entre cette sortie et le niveau aval de l’aménagement. De par sa fonction, il crée ainsi une dépression à la sortie de la roue et, pour cette raison, il est souvent appelé aspirateur ou tuyau d’aspiration.
Les différents types de turbines hydrauliques répondent à des fonctions relativement précises qui peuvent servir de base à une classification sommaire. Distinguons ainsi :
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les turbines Pelton adaptées aux chutes supérieures à 400 m et de puissance maximale possible de 350 MW ;
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les turbines Francis adaptées aux chutes moyennes comprises entre 40 et 800 m et de puissance maximale possible de 1 000 MW ;
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les turbines Kaplan et hélice fonctionnant sous des basses chutes, normalement inférieures à 60 m, et de puissance maximale possible de 250 MW ;
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les groupes bulbes, de type entièrement immergé, adaptés aux basses chutes également mais en moyenne plus basses que pour les turbines Kaplan (environ 20 m maximum) ;
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les groupes turbines-pompes, machines réversibles, qui équipent les centrales d’accumulation par pompage.
Le lecteur pourra consulter les articles suivants :
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[B 4 400] Théorie générale des turbomachines, pour les notions de base et la définition des notations et symboles ;
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[B 4 402] Caractéristiques et similitude des turbomachines hydrauliques ;
-
[B 4 405] Aménagements hydroélectriques, pour les applications concernant les turbines.
La majorité des documents illustrant cet article proviennent de la société Neyrpic.
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Présentation
Turbines Kaplan et hélice2. Turbines Francis
La turbine Francis est celle dont le domaine d’utilisation est le plus vaste. Elle peut fonctionner dans des conditions de hauteur de chute très étendues : de quelques dizaines de mètres jusqu’à 800 m. La puissance unitaire peut atteindre des valeurs considérables, et rien n’interdit d’envisager des groupes de 1 000 MW ou même davantage.
Un exemple de turbine Francis à axe horizontal est donné sur la figure 6.
D’une part, des études hydrauliques très poussées ont permis l’augmentation des puissances et débits spécifiques, l’amélioration des rendements et de la tenue à la cavitation des roues et une connaissance approfondie des phénomènes transitoires.
D’autre part, la conception mécanique (alliée à une grande maîtrise dans les calculs de structure) et la connaissance du comportement dynamique des groupes – vibrations – (complétée par une qualité de construction très poussée) garantissent une grande fiabilité de fonctionnement.
Dans le domaine des puissances plus modestes, on trouve les turbines Francis horizontales simples et doubles, de grande vitesse de rotation. En particulier, les turbines doubles permettent de réaliser des installations très économiques et compétitives (de bon rendement aux charges partielles).
2.1 Conception et études hydrauliques
L’étude hydraulique des turbines Francis doit être poussée d’autant plus loin que la taille des unités devient gigantesque. C’est pourquoi on a consenti un effort sans précédent dans l’élaboration du tracé de leurs roues, tant en matière de calculs théoriques qu’au plan des études expérimentales.
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Calculs théoriques
Un programme de conception assistée par ordinateur permet de générer sans difficulté les formes géométriquement complexes des aubes des turbines Francis. Il est associé avec des méthodes de calcul très sophistiquées :
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calcul quasi tridimensionnel permettant un couplage entre la détermination de l’écoulement méridien et celle de l’écoulement établi d’aube à aube ;
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calcul tridimensionnel direct par éléments finis.
On peut ainsi effectuer une analyse hydraulique très fine et prévoir le champ de...
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