Éléments constitutifs d’une turbine hydraulique
Une turbine est à réaction lorsque les pressions à l’entrée et à la sortie de la roue sont égales. Elle se compose uniquement d’un distributeur et d’une roue mobile.
Un distributeur fixe qui donne à l’eau une vitesse suffisante et une orientation qui permette d’aborder la roue sous l’angle adéquat car de faibles écarts de cet angle peuvent entraîner des pertes importantes de rendement. .
Une roue mobile munie d’ailettes ou d’augets (forme de cuillère) qui a pour rôle de transformer l’énergie hydraulique en énergie mécanique.
Un aspirateur-diffuseur qui récupère l’énergie cinétique de l’eau à la sortie de la roue en évacuant cette eau dans le bief aval. Ce dispositif crée une dépression à la sortie de la roue de sorte que l’on profite non seulement de la plus grande partie de l’énergie cinétique mais encore de la hauteur géométrique entre la roue et le niveau aval.
Une turbine est à action lorsque les pressions à l’entrée et à la sortie de la roue sont égaies. Elle se compose uniquement d’un distributeur et d’une roue mobile.
Les turbines Pelton
Utilisées pour les hautes chutes et faibles débits, elles sont réalisées avec axe horizontal ou, de plus en plus fréquemment, vertical.
La roue mobile comporte un certain nombre d’augets, en forme de double cuillère avec échancrure médiane. Leur nombre varie avec la hauteur de chute et la vitesse spécifique de rotation.
Le système de distribution est constitué par un injecteur comprenant une buse, une aiguille d’injection et un déflecteur. Ce dernier a pour objet de dévier brusquement le jet de la roue lorsque celle-ci tend à s’emballer, tandis que l’aiguille peut fermer ensuite l’injecteur aussi lentement qu’il est nécessaire. Une fermeture trop rapide peut en effet provoquer des coups de bélier dans la conduite d’alimentation.
Aiguille et déflecteur sont actionnés par des servomoteurs à huile séparés, placés sous la dépendance d’un régulateur automatique.
Un déviateur, appelé contre-jet, permet d’arrêter rapidement la roue lorsque l’admission d’eau est coupée (pour éviter que des vibrations n’abîment la fixation des axes de la turbine).
La constitution des bâtis varie suivant la disposition des machines, axe vertical ou horizontal, une ou deux roues, un ou plusieurs injecteurs.
La turbine Francis
La turbine Francis est composée de 8 à 15 aubes, de surface gauche et de profil type «aile d’avion». La roue a donc l’aspect d’un cylindre évidé en son centre d’un espace conique. L’eau pénètre les côtés du cylindre par l’intermédiaire d’un distributeur.
Celui-ci est constitué d’un ensemble de directrices mobiles parallèles à l’axe de rotation de la roue; elles sont fixées à un disque fixe d’une part, et à un dispositif mobile de commande, appelé «cercle de vannage», d’autre part. Le rôle du distributeur est double: il sert avant tout à donner aux filets d’eau une direction convenable à l’entrée de la roue, afin d’éviter les chocs, mais également à régler le débit.
Ce type de turbine est principalement utilisé pour les basses et moyennes chutes (de 5 à 100 m), les débits pouvant atteindre 30 m³/s. Pour les chutes supérieures à 6 mètres une bâche spirale amène graduellement l’eau au distributeur. On rencontre aussi bien la disposition avec arbre horizontal qu’avec arbre vertical.
La turbine Banki
La turbine Banki est également appelée «Cross-flow turbine» ou turbine Mitchell.
Le nom «Cross-flow» (débit traversant en anglais) vient du fait que l’eau traverse la roue. L’eau actionne les ailettes à la fois à l’entrée et à la sortie de la roue.
Cette turbine peut fonctionner sous une large gamme de débits et de hauteurs.
Les turbines hélices et Kaplan
La turbine hélice est constituée d’une hélice à pales fixes dont l’axe est parallèle au flux. La turbine hélice est bien adaptée aux basses chutes. Elle ne dispose pas de distributeurs pour les petites puissances.
La turbine Kaplan est une turbine hélice à pales mobiles. Cela permet un meilleur fonctionnement de la turbine sur une plus grande gamme de débits.
Le groupe bulbe est constitué d’une turbine Kaplan et d’un alternateur constituant un ensemble complètement entouré par le courant d’eau: l’alternateur est contenu dans un bulbe métallique fermé. Cet ensemble tourne autour d’un axe horizontal, dans une conduite de diamètre légèrement supérieur à celui du cercle balayé par la roue. Ce groupe permet de faire des économies importantes en génie civil.