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 ;
-
[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 à écoulement axial ou groupes bulbes3. Turbines Kaplan et hélice
Les turbines Kaplan et hélice sont des machines à réaction et à injection totale adaptées aux faibles chutes et aux débits élevés (la turbine Kaplan est à pales réglables en marche, la turbine hélice est à pales fixes). Leur structure générale (figure 10) est la même que celle des turbines Francis à axe vertical. L’écoulement dans le rotor est néanmoins purement axial.
La turbine Kaplan est utilisée dans une gamme de chute comprise environ entre 12 et 60 m. Ses performances sont élevées sur une large variation de chute et de charge, grâce à son double réglage conjuguant les positionnements des pales et du vannage.
L’état actuel de la technologie permet de concevoir des machines de grandes dimensions réalisées en sous‐ensembles transportables, jusqu’à des diamètres de roue de l’ordre de 10 m et des puissances pouvant aller jusqu’à 250 MW unitaires.
Ainsi, dans le cas d’équipements de grands cours d’eau, ces conceptions et réalisations permettent de réduire notablement le coût de l’investissement.
La turbine Kaplan présente des avantages remarquables par rapport aux autres types de machines qui pourraient lui être substitués pour certaines applications précises ; ainsi, dans la gamme inférieure des chutes, et lorsque l’aménagement participe à la tenue en fréquence du réseau, la turbine Kaplan offre une plus grande stabilité de fonctionnement que le bulbe, du fait de l’inertie importante de ses parties tournantes.
Enfin, la turbine Kaplan est mieux adaptée que la turbine Francis aux variations de charge et de chute, au prix – il est vrai – d’un coefficient d’emballement (rapport de la vitesse d’emballement à la vitesse de synchronisme) plus élevé.
Seules les particularités des turbines Kaplan ou hélice par rapport aux turbines Francis seront détaillées ci‐après.
3.1 Conception mécanique
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Parties fixes
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Flasques
Pour les turbines de grande dimension, on a développé un flasque supérieur réalisé en deux parties concentriques. Le premier, appelé flasque externe, peut être combiné avec l’avant‐distributeur et permet une simplification mécanique et une diminution du coût ; le second, appelé flasque interne,...
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Turbines Kaplan et hélice
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