Turbines Kaplan : Caractéristiques Clés, Applications et Fonctionnement

Parmi la grande majorité de turbines existantes, la turbine Kaplan en fait partie. Elle fonctionne sur le principe de l'écoulement axial à réaction, bien que d'autres types fonctionnent sur ce principe. Dans les turbines à écoulement axial, l'eau s'écoule à travers la roue dans la direction parallèle à l'axe de rotation de la roue. Restez avec moi, cela sera expliqué plus en détail !

Aujourd'hui, vous découvrirez la définition, les applications, le fonctionnement, les composants, le schéma et le principe de fonctionnement d'une turbine Kaplan. Vous découvrirez également les avantages et inconvénients de cette turbine Kaplan.

Qu'est-ce qu'une turbine Kaplan ?

Une turbine Kaplan est une turbine hydraulique de type hélice qui fonctionne sur le principe de l'écoulement axial à réaction. Contrairement aux autres, la turbine Kaplan a des pales réglables. Son invention a permis une production d'énergie efficace dans les applications à faible chute. Cette chute varie de 10 à 70 mètres (33 à 230 pieds) et la puissance de sortie varie de 5 à 200 MW. L'utilisation des turbines Kaplan est dans la production d'énergie à haut débit et faible chute.

Les turbines Kaplan sont l'évolution de la turbine Francis, permettant une production d'énergie efficace dans les applications à faible chute. Ce n'est pas possible avec les turbines Francis, et c'est là que la modification commence.

Un professeur autrichien, Viktor Kaplan, a développé cette turbine en 1913. Il a combiné des pales d'hélice à ajustement automatique avec des aubes directrices à ajustement automatique pour que l'efficacité puisse être atteinte sur une large gamme de débits et de niveaux d'eau.

Applications de la turbine Kaplan

Voici les applications d'une turbine Kaplan :

• Les turbines Kaplan sont largement utilisées pour la production d'énergie électrique.
• Sa version ou modèle réduit est produit pour la production d'énergie individuelle.
• Les grandes turbines Kaplan sont conçues pour les sites afin de fonctionner au rendement le plus élevé possible.
• Récemment, les turbines Kaplan sont utilisées en mer pour la génération d'énergie des vagues.

Note : tout comme pour les autres turbines, la fonction principale d'une turbine Kaplan est la production d'énergie électrique.

Composants de la turbine Kaplan

Voici les composants d'une turbine Kaplan et leurs fonctions :

Volute (Enveloppe spirale) :

C'est un type de volute en spirale, ayant une section transversale décroissante. L'eau provenant des conduites forcées entre dans ce composant et se dirige ensuite vers les aubes directrices où elle tourne à 90°. Elle s'écoule également axialement à travers la roue. La roue, les pales de la roue, les aubes directrices et les autres parties internes de la turbine sont protégées des dommages externes.

Mécanisme d'aubes directrices :

Les turbines Kaplan utilisent le mécanisme d'aubes directrices pour contrôler toute la turbine. Il s'ouvre et se ferme selon la puissance requise. Dans les cas où plus de puissance de sortie est requise, il s'ouvre plus large pour permettre à plus d'eau de frapper les pales du rotor. À une puissance de sortie plus faible, il se ferme pour arrêter le flux d'eau. En l'absence de ces composants dans les turbines Kaplan, l'efficacité diminue extrêmement.

Tube d'aspiration :

La fonction d'un tube d'aspiration est d'évacuer l'eau de la sortie de la turbine vers le canal de fuite. C'est parce que la pression à la sortie de la roue des turbines à réaction est généralement inférieure à la pression atmosphérique. L'eau à la sortie ne peut pas être évacuée directement vers le canal de fuite. Par conséquent, un tube ou tuyau à section croissante progressivement est utilisé pour l'évacuation de l'eau.

Pales de la roue :

Dans les turbines Kaplan, les pales de la roue sont l'un des composants essentiels. En fait, c'est considéré comme le cœur des turbines Kaplan car il aide à la production d'énergie électrique. La pale est conçue avec un arbre qui est connecté à l'arbre du générateur. Il y a un gros moyeu monté sur la roue qui permet aux pales de s'ajuster fermement. Ces pales sont réglables à un angle d'attaque optimal pour une puissance de sortie maximale. Les turbines Kaplan ont des torsions le long de leur longueur.

Schéma de la turbine Kaplan :

Principes de fonctionnement de la turbine Kaplan

Le fonctionnement d'une turbine Kaplan est moins complexe et peut être facilement compris. Dans son fonctionnement, l'eau venant de la conduite forcée entre dans la volute. Cette volute est conçue d'une forme telle que la pression d'écoulement n'est pas perdue. Une aube directrice réglable dirige l'eau vers les pales de la roue. Ces aubes peuvent s'ajuster elles-mêmes selon les besoins de débit. L'eau prend un virage de 90 degrés pour que la direction de l'eau soit axiale par rapport aux pales de la roue.

L'eau frappe et, en raison de la force de réaction de l'eau, les pales de la roue commencent à tourner. Pour une plus grande efficacité de la turbine, les pales de la roue ont des torsions le long de leur longueur. Par conséquent, un angle d'attaque optimal pour toutes les sections transversales des pales est obtenu.

L'eau entre dans le tube d'aspiration depuis les pales de la roue, où son énergie de pression et son énergie cinétique diminuent. La pression accrue de l'eau est ressentie lorsque l'énergie cinétique se convertit en énergie de pression.

Cette rotation de la turbine est ce qui fait tourner l'arbre du générateur pour la production d'énergie électrique.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur une turbine Kaplan :

Avantages et inconvénients de la turbine Kaplan

Avantages :

Voici les avantages de la turbine Kaplan dans ses diverses applications :

• La conception est moins complexe et peut être facilement construite.
• Moins d'espace est requis pour l'installation.
• Rendement très élevé comparé aux autres.
• Plus efficace à faible chute.
• Le nombre de pales est réduit.
• L'acier inoxydable comme matériau de pale peut réduire la cavitation.

Inconvénients :

Malgré les bons avantages de la turbine Kaplan, certaines limitations subsistent. Voici les inconvénients d'une turbine Kaplan dans ses diverses applications :

• La cavitation est un inconvénient majeur d'une turbine Kaplan. Elle se produit en raison de la chute de pression dans le tube d'aspiration.
• L'arbre ne peut être positionné que dans la direction verticale.
• Son fonctionnement nécessite un débit important.

Conclusion

Les turbines Kaplan ont été expliquées comme des turbines hydrauliques de type hélice fonctionnant sur le principe de l'écoulement axial à réaction. Leur fonction principale est la production d'énergie électrique. C'est tout pour cet article, où nous avons donné la définition, les applications, le fonctionnement, les composants et le schéma de la turbine Kaplan. Nous avons également donné ses avantages et inconvénients.

J'espère que vous avez beaucoup appris de cet article. Si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture, à la prochaine !