Types d'hydroturbines de microcentrales hydroélectriques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Turbines à hélice (turbine Kaplan)

La turbine à hélice a la vitesse la plus élevée parmi tous les types de turbines. Ceci permet d'obtenir une vitesse de rotation plus élevée à faible débit. Des vitesses de turbine élevées, quant à elles, permettent l'utilisation de générateurs électriques plus rapides, et donc plus légers et moins chers, ou réduisent le coût des dispositifs de transmission (boîtes de vitesses ou systèmes de transmission par courroie). Par conséquent, les turbines à hélice sont utilisées aux pressions les plus basses, lorsque les débits sont faibles.

En apparence, la turbine à hélice ressemble à un ventilateur (Fig. 20).

Fig.20. Turbine à hélice à pales fixes

Les pales de la turbine peuvent être à la fois fixes et rotatives (Fig. 21). Dans le premier cas, les pales sont fixées à un angle choisi correspondant à la pression de fonctionnement et à la charge optimale du générateur. Les aubes rotatives sont justifiées pour une utilisation dans de grandes turbines avec des fluctuations de pression importantes et un fonctionnement du générateur dans des conditions de charge variables. À l'aide de pales rotatives, il est possible de maintenir une vitesse de rotation constante de la roue et la fréquence de la tension générée dans les générateurs.

Fig.21. Turbine Kaplan

Fig.21-1. Principe d'opération

La turbine à hélice a une aube directrice (Fig. 22), qui sert à alimenter le flux d'eau à angle droit avec les aubes de la turbine pour atteindre une efficacité maximale. L'aube directrice permet de régler la puissance de la turbine et, dans certains cas, d'arrêter complètement l'accès de l'eau à la roue de turbine.

Fig.22. Aubes directrices de turbine

Les turbines à hélice sont équipées de tuyaux d'aspiration. Le tuyau d'aspiration est un canal s'élargissant en section pour évacuer l'eau de la turbine. Avec une augmentation de la section de la canalisation, la vitesse de l'eau et son énergie cinétique diminuent, ce qui permet de réduire les pertes d'énergie dans le flux sortant. De plus, la conduite d'aspiration permet à la turbine d'être située au-dessus du niveau de l'eau en aval.

Le bassin (fr. bief) fait partie du plan d'eau attenant à l'ouvrage hydraulique. Une distinction est faite entre l'amont (adjacent au bassin de pression) et l'aval (adjacent au canal de rejet).

Les tuyaux d'aspiration sont soit droits, soit courbés, comme le montre la Fig. 23 et 24 :

Fig.23. Groupe hydraulique à aspiration directe

Fig.24. Groupe hydraulique avec tuyau d'aspiration courbé

Turbines radiales-axiales (turbine Francis)

L'eau pénètre dans la roue d'une turbine radiale-axiale depuis l'extérieur de la roue et se déplace le long du rayon vers le centre de la turbine (Fig. 25). Passée entre les pales d'une forme incurvée spatiale complexe, l'eau donne de l'énergie au rotor, le faisant tourner.

Fig.25. Radial-axial (turbine Francis)

Fig.25-1. Radial-axial (turbine Francis), apparence

Pour une alimentation en eau correcte et uniforme sur toute la circonférence de la roue, celle-ci est entourée d'une chambre en spirale (Fig. 26). Un appareil de guidage est placé entre la chambre en spirale et la roue, composé de pales qui dirigent l'eau vers la roue de turbine à l'angle souhaité. Les aubes directrices peuvent être rendues rotatives pour modifier le débit d'eau et la meilleure direction du débit vers les pales de la turbine (Fig. 27). Cela augmente l'efficacité de la turbine dans les modes hors conception. L'appareil de guidage peut être équipé d'un système de réglage manuel, ou automatique.

Fig.26. Schéma de la volute et des aubes directrices de la turbine Francis

Fig.27. Turbine Francis avec aube directrice réglable manuellement

Dans les turbines radiales-axiales, il existe un risque de coup de bélier dans la conduite de refoulement. En cas de panne du générateur ou de forte baisse de charge, les aubes directrices réduisent le débit d'eau et un coup de bélier se produit dans la conduite sous pression, ce qui peut entraîner une rupture de la conduite. Pour prévenir les accidents, les turbines radiales-axiales sont équipées d'une sortie de ralenti de sécurité qui évacue l'eau de la chambre spirale vers l'aval lors des coups de bélier.

Pour les turbines radiales-axiales à haute pression, il est important de réduire les éventuelles fuites d'eau au-delà des aubes de la turbine. Ceci est réalisé par la fabrication de haute précision de pièces d'accouplement et de joints spéciaux qui réduisent les pertes de pression.

Après avoir traversé la roue, l'eau pénètre dans le tuyau d'aspiration, qui a une forme conique. En passant par le tuyau d'aspiration, l'eau augmente sa section et ralentit, ce qui entraîne une diminution de l'énergie cinétique de la sortie inutile avec les eaux usées. De plus, la conduite d'aspiration permet de situer les unités hydroélectriques beaucoup plus haut que l'aval de l'eau, ce qui est pratique pour la construction d'un bâtiment de centrale hydroélectrique.

Pour la production de turbines, des nuances d'acier spéciales hautement résistantes à l'usure sont utilisées pour assurer un fonctionnement fiable et à long terme des turbines.

Turbines Pelton (turbines Pelton)

Ce type de turbine est utilisé pour les hautes pressions. La conduite sous pression pénètre dans le bâtiment de la centrale hydroélectrique et se termine par une buse dirigeant le jet vers la roue de la turbine. Un jet d'eau sortant de la buse roule sur la surface concave du godet et change le sens de son mouvement dans le sens opposé (Fig. 28).

Fig.28. Diagramme de poche (Turbine Pelton Pelton)

Fig.28-1. Turbine (turbine à godets Pelton)

L'efficacité maximale sera dans le cas où le jet réfléchi par le godet a une vitesse nulle par rapport au corps. Ceci est réalisé, comme le montre l'analyse, à une vitesse circonférentielle de la poche égale à la moitié de la vitesse du jet.

Les aubes de la turbine sont jumelées et le jet est alimenté à la jonction des aubes pour compenser les forces axiales sur les paliers du rotor. La tuyère de la turbine sert à réguler la quantité d'eau entrante. L'aiguille se déplaçant à l'intérieur de la buse modifie la section transversale du canal et le débit d'eau entrant dans la roue de turbine (Fig. 29).

Fig.29. Schéma de la buse à pointeau (turbine Pelton Pelton)

En plus de la buse, un déflecteur est utilisé pour régler les paramètres de la turbine, qui est un obstacle situé entre la buse et le godet, qui dévie le jet et réduit la force du jet sur le rotor du groupe hydraulique. Le déflecteur permet d'éviter les chocs hydrauliques lors du réglage de la turbine. Lors de la régulation du jet uniquement avec une aiguille, en cas de forte baisse de la charge électrique dans le réseau, l'aiguille bloque la sortie d'eau, ce qui provoque un coup de bélier dans la canalisation et la possibilité de l'endommager. Les eaux usées s'écoulent en aval. Par conséquent, pour réduire les pertes de charge, la tuyère et la turbine doivent être situées le plus bas possible au niveau du débit. Le carter de turbine sert à protéger contre les éclaboussures du local de la centrale hydroélectrique et est dimensionné pour que l'eau réfléchie par le carter ne retombe pas sur le rotor et ne diminue pas le rendement de l'installation.

Dans les turbines à godets, plusieurs buses sont souvent installées espacées autour de la circonférence de la roue, ce qui réduit la charge sur les paliers de rotation (Fig. 30).

La construction de turbines hydrauliques modernes se développe en tenant compte des principales tendances suivantes :

• augmenter l'efficacité et la fiabilité de fonctionnement;
• augmenter la vitesse des turbines hydrauliques afin de fournir la puissance de conception requise avec des dimensions et des poids plus petits des unités hydroélectriques, ce qui garantit une réduction du coût des équipements électriques et du bâtiment HPP ;
• améliorer les caractéristiques énergétiques des turbines hydrauliques et augmenter l'efficacité opérationnelle moyenne des unités lorsqu'elles fonctionnent à des charges et à une pression hors conception ;
• réduction des pulsations de pression dans le trajet d'écoulement (en particulier derrière la roue d'une turbine hydraulique radiale-axiale) et des vibrations associées de l'unité ;
• unités hydrauliques;
• l'utilisation d'unités hydroélectriques puissantes sur les centrales hydroélectriques permet de réduire leur nombre, d'augmenter l'efficacité et de réduire le coût des équipements électriques et des bâtiments ;
• poursuite de la croissance des capacités unitaires.

Fig.30. Turbine Pelton à deux tuyères

Dispositifs de transfert

Des dispositifs de transmission sont nécessaires pour transférer l'énergie de rotation de la turbine au générateur. Certaines conceptions de microcentrales hydroélectriques prévoient une transmission directe de l'énergie à travers un arbre (la roue et le rotor du générateur sont sur le même arbre). D'autres systèmes de transmission (courroie ou engrenage) peuvent à la fois modifier le rapport d'engrenage de rotation de la roue à aubes au rotor du générateur et le transmettre sans changement.

Auteurs : Kartanbaev B.A., Zhumadilov K.A., Zazulsky A.A.

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