On remarque de grandes différences dans les turbines, expliqué en parti par le type de chute

Ces turbines sont différentes par la forme de leur roue, par leurs organes de régulation du débit puis par leur évacuation. Leur fabrication les prédestinent à des aménagements hydrauliques particuliers caractérisés par la chute à exploiter.

 

Turbines à réaction

Principe de fonctionnement d’une turbine à réaction : Lorsque la pression à l’entrée de la roue est supérieure à la pression à la sorti de la roue. Ces turbines ont une conception complexe mais un rendement meilleur que les turbines à action.

les turbines Francis

Ce modèle de turbine fut inventé par un ingénieur américain James Bicheno Francis au XIXème siècle, cette turbine fut la première turbine moderne à être installée.

Il s’agit d’une turbine a réaction, qui est conçut sur un axe vertical, dans ce cas le flux est centripète ( c’est à dire un écoulement radial.) Cette turbine est composée de 8 à 15 aubes. Cette turbine est caractéristique des hauteurs de chutes ou des pressions équivalant à une colonne d’eau de 15 à 500 mètres, c’est à dire des hauteurs de chute moyenne. L’eau entre à la périphérie de la turbine, cette eau glisse alors sur les pales de la turbine et se dirige vers son centre (son cœur), d'où elle est évacuée. Dès lors l’eau qui coule par les canaux de la turbine abandonne sa pression aux pales de la turbines. Ce phénomène est donc à l’origine de la rotation de la turbine. De plus à la sorti de la roue un appareil appelé aspirateur permet de diminuer la pression de l’eau, ce qui reviendrait virtuellement a augmenté la hauteur de la colonne d’eau. Ce type de turbine malgré quelle soit ancienne est encore utilisée dans les plus grandes centrales hydroélectriques, les plus puissantes au monde : comme la centrale de Itaipu qui peut délivré environ 10500 MW.

 

les turbines Kaplan

Ce modèle de turbine est sans doute le plus récent de toutes les turbines présentées ici, puisqu’elle fut construit pour la première fois au début du XXème siècle. Cette turbine est utilisée dans des gammes de hauteur de chute de15 à 30 mètres. Cette turbine est à axe verticale. Cependant la particularité principale de cette turbine est que les pales qui la compose peuvent pivoter ( par un mécanisme situé à l’intérieur du moyeu, ce qui leur permet de s’accommoder de chute très variable, elle est donc très flexible en puissance.) De plus les directrices présentes (comme sur les turbines du type Francis ) permettent une bonne orientation de l’eau à toute ouverture de la turbine, ce qui assure un rendement optimal.

 

Les turbines Bulbes

Les turbines bulbes sont exploitées dans des hauteurs de chute d’eau de 5 à 30 mètres.

Cette turbine est constituer d’une turbine Kaplan ou Hélices, cette turbine fonctionne axialement, mais à axe horizontal, dans le sens normale de l’écoulement de l’eau. Cet axe horizontal un est atout, car cela permet un impact minime sur le paysage.

Ces turbines peuvent aussi être utilisées avec des chutes basses, mais des débits relativement important.

Les turbines Hélices

Les turbines hélices s’utilisent dans la gamme de 15 à 30 mètres de chute. L’on retrouve ces turbines au fil de l’eau, elles n’ont donc pas besoin de réservoir. Ces turbines ne sont pas très différentes des turbines de types Kaplan, l’on peut même la considérer comme une variante des turbines Kaplan, elles ne différent qu’au niveau des pales. En effet les pales des turbines Hélices sont fixes. L’axe de la turbine est parallèle à celle du flux.

 

Turbine à action

Principe de fonctionnement d’une turbine à action : Lorsque la pression à l’entrée et à la sortie de la roue sont égales. Ces turbines ont un principe de conception relativement simple cependant leur rendement assez faible.

Les turbines Pelton

Cette turbine fut crée par Lester Allen Pelton durant la seconde moitié du XIXème siècle. Cette turbine est utilisable dans des hauteurs de chute très élevées, supérieur à 200 mètres, mais à faible débit. Lors de ses débuts, la turbine fonctionnait à axe horizontal, mais de plus en plus on l’utilise à axe vertical. Cette turbine st constitué d’une roue, sur laquelle se trouvent fixé des sortes de cuillères double métallique nommées augets.

Le trajet de l’eau est le suivant : l’eau sort de la conduite forcée pour se diriger à très grande vitesse (environ 5OO km/h ou 140 m/s, après une chute de 1000 mètres ) sur les augets quelle percute, l’eau passe alors pour cela par des injecteurs.

 

Dans l'aspect mecanique, on peut egalement developpé la technologie utilisée par les générateurs

Une fois mise en mouvement une turbine entraîne directement ou par l'intermédiaire d'un multiplicateur un générateur de courant, qui transforme l'énergie mécanique disponible sur l'arbre en énergie électrique. Il existe trois types de générateurs.

La génératrice à courant continu
la production de courant continu n'est envisageable que dans peu de cas. Bien sûr elle est à exclure lorsqu'il y a vente au réseau EDF. Par contre, si l'énergie est produite pour un usage domestique, elle est envisageable pour le chauffage et l'éclairage. Le principal avantage de la génératrice à courant continu, outre son faible prix, est que sa production peut être stockée dans des batteries. Enfin il est à noter qu'on peut convertir du courant continu en alternatif avec un onduleur, mais cet appareillage est généralement coûteux.

La génératrice synchrone
Cette génératrice de courant est aussi appelée alternateur. Sa caractéristique vient du fait que la fréquence du courant produit est imposée par la vitesse de rotation du rotor, qui doit donc rester constante pendant la période d'exploitation. Cette machine est généralement utilisée lorsque l'installation est conçue pour de l'autoconsommation. Pour ce type d'installation, en effet, son système de réglage des caractéristiques du courant (tension, fréquence...) est bien adapté. Enfin la génératrice synchrone a de bons rendements, mais son prix pour les faibles puissances est moins intéressant que celui des autres types de générateurs.

La génératrice asynchrone
C'est la génératrice la plus répandue, car elle est simple de construction, robuste et d'un coût avantageux. Elle est essentiellement utilisée lorsque la centrale est prévue pour une vente à EDF, car dans ce cas elle est pilotée par le réseau qui régule la fréquence et la tension du courant produit.
Enfin il est à noter que les rendements de la génératrice asynchrone sont moins intéressants que ceux de l'alternateur.