Turbines à réaction en hydroélectricité : comment elles produisent de l'électricité

Type particulier de turbine utilisé dans les centrales hydroélectriques, la turbine à réaction est employée mondialement pour la production d'électricité. On estime qu'environ 60 % des turbines en centrales hydroélectriques sont des turbines à réaction, bien qu'en concurrence avec les turbines à impulsion. Une turbine à réaction est constituée de rangées de pales fixes et de rangées de pales mobiles. Les pales fixes agissent comme des tuyères et les pales mobiles se déplacent sous l'effet de l'impulsion de la vapeur reçue (due au changement de quantité de mouvement). Aussi, du fait de l'expansion et de l'accélération de la vapeur par rapport à elles, agissant encore comme tuyères. Explications détaillées suivront.

Cet article couvre la définition, applications, fonction, composants, schémas, types, principes de fonctionnement des turbines à réaction, ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Qu'est-ce qu'une turbine à réaction ?

Une turbine à réaction fonctionne selon la troisième loi de Newton (action et réaction sont égales et opposées). Le système génère un couple en réponse à la pression et au poids du fluide. En fonctionnement, l'eau frappe d'abord les pales fixes puis la tuyère.

Dans une turbine à réaction, la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique de l'eau, due respectivement à la pression et à la vitesse, fait tourner les pales de la turbine. L'ensemble du corps de cette turbine est immergé dans l'eau et les variations de pression de l'eau, conjuguées à l'énergie cinétique de l'eau, provoquent l'échange de puissance. Les applications d'une turbine à réaction se situent généralement à des chutes plus faibles et des débits plus élevés que le type à impulsion.

Les pales de turbine ou pales de rotor sont conçues pour générer une force sur un côté lorsque l'eau s'écoule à travers elles, comme un profil d'aile (airfoil). Dans un avion, la force produite par un profil d'aile assure la portance. De même ici, la force fait tourner les pales.

Différents types de turbines à réaction ont leurs propres conditions de fonctionnement idéales. Par exemple :

• Turbines Pelton : préférées pour faible débit et haute chute (80–1600 m)
• Turbines Kaplan : débit élevé requis avec chute faible ou moyenne (2–70 m)
• Turbines Francis : débit moyen et chute moyenne. La Francis est une combinaison de turbines à impulsion et à réaction.

Les turbines Francis sont les plus largement utilisées car elles offrent le rendement le plus élevé et fonctionnent dans une large gamme de conditions.

Applications des turbines à réaction

Les diverses applications incluent :

• Éoliennes pour production d'électricité
• Production d'électricité en centrales hydroélectriques
• Obtention de la puissance maximale à partir d'une faible hauteur de chute d'eau disponible et d'une vitesse élevée

Note : la fonction primaire d'une turbine à réaction est la production d'énergie.

Composants des turbines à réaction

Enveloppe spirale (Spiral casing) :

Ces composants ont une section transversale uniformément décroissante le long de la circonférence. Cette diminution assure une vitesse uniforme de l'eau frappant les pales du rotor. Il y a une ouverture pour l'écoulement de l'eau vers les pales du rotor depuis le début de l'enveloppe, faisant diminuer la pression au fur et à mesure de son parcours. La réduction de sa section transversale le long de sa circonférence uniformise la pression, donc la quantité de mouvement ou la vitesse frappant les pales du rotor de manière uniforme.

Aubes directrices (Guide vanes) :

Montées dans l'enveloppe spirale pour assurer que l'eau frappant les pales du rotor ait une direction le long de l'axe de la turbine. Sinon, l'écoulement serait fortement tourbillonnaire en traversant l'enveloppe spirale, pas assez efficace pour faire tourner les pales du rotor. Dans les turbines modernes, les angles de ces aubes directrices sont réglables, rendant le débit d'eau ajustable.

Pales du rotor (Runner blades) :

Composants cruciaux, considérés comme le cœur de la turbine à réaction. La forme des pales utilise l'énergie de pression de l'eau pour entraîner la turbine. Leur conception est essentielle et joue un rôle majeur dans le rendement. Dans les versions modernes, ces pales peuvent s'orienter autour de leur axe, faisant varier la force de pression selon la charge et la pression disponible.

Tube d'aspiration (Draft tube) :

Relie la sortie du rotor au canal de fuite, avec section transversale croissante le long de sa longueur. L'eau sortant des pales du rotor est à pression considérablement basse ; sa section croissante récupère la pression en s'écoulant vers le canal de fuite.

Schéma d'une turbine à réaction :

Types de turbines à réaction

Turbines à hélice (Propeller turbines) :

Généralement 3 à 6 pales, l'eau en contact constant avec toutes les pales. Ne peuvent être installées que là où la charge et la hauteur sont constantes. Courbe de rendement très pointue en charge partielle = mauvaises performances.

Les turbines Kaplan atteignent des rendements élevés sous diverses charges en ajustant correctement les pales pendant le fonctionnement. L'angle des pales peut être ajusté à la puissance requise.

Turbines Francis :

Version modifiée de la turbine à hélice, l'eau s'écoulant radialement et axialement dans le rotor. En fonctionnement, les canaux d'écoulement sont généralement logés dans un corps spiralé avec aubes directrices internes réglables.

Ces turbines ont un rotor avec neuf pales fixes ou plus. L'eau arrive directement au-dessus et autour du rotor, qui tombe et tourne alors.

Turbines à gravité (Gravity turbines) :

Convertissent la force de gravité en force de rotation. L'énergie cinétique de la force de gravité est convertie en électricité.

Turbines bulbe (Bulb turbines) :

Variantes des turbines à hélice. Le générateur est enfermé et étanche dans un corps en acier hydrodynamique au centre du conduit. Entraîné par une hélice à pas variable à l'extrémité aval de la vanne. La direction de l'eau entrant et sortant est pratiquement inchangée. Sa compacité offre plus de flexibilité dans la conception de la centrale.

Turbines Straflo :

Turbines axiales à pales fixes. Le générateur est situé hors du canal d'eau et connecté directement au rotor de la turbine.

Turbines tubulaires (Tube turbines) :

La conduite sous pression est courbée peu avant et après le chemin d'écoulement, permettant une connexion directe au générateur.

Principe de fonctionnement de la turbine à réaction

Le fonctionnement est simple à comprendre. Un rotor contenant des tuyères mobiles libère de l'eau à haute pression. Lorsque l'eau quitte les tuyères, elle subit une force de réaction qui fait tourner le rotor à très haute vitesse. Une force de réaction est aussi générée par le fluide s'écoulant sur les pales du rotor. La force de réaction sur les pales du rotor fait tourner celui-ci. Le fluide entre dans le tube d'aspiration après avoir passé les pales du rotor, puis enfin vers le canal de fuite.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement de la turbine à réaction :

Avantages et inconvénients des turbines à réaction

Avantages :

• Rendement hydraulique élevé
• Vitesse de travail élevée
• Conception moins complexe
• Pales à haut rendement
• Peu d'espace requis
• Système d'échappement sans huile
• Taille portable
• Capable d'utiliser hautes températures et pressions

Inconvénients :

• Maintenance élevée requise
• Problèmes de cavitation
• Coût de maintenance élevé
• Force de poussée (thrust) générée
• Pales non symétriques

Conclusion

Une turbine à réaction fonctionne selon la troisième loi de Newton (action et réaction égales et opposées). Le système génère un couple en réponse à la pression et au poids du fluide. En fonctionnement, l'eau frappe d'abord les pales fixes puis la tuyère. Cet article a couvert la définition, fonction, applications, composants, schémas, types et fonctionnement de la turbine à réaction, ainsi que ses avantages et inconvénients.

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