Turbine Pelton

Une turbine Pelton est un type de turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été découverte en 1879 par Lester Allan Pelton, en Californie.



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  • Une turbine Pelton est constituée de : Un ou plusieurs injecteurs qui canalisent et dirigent le jet d'eau vers un impact prévu dans les augets de la roue.... (source : pagesperso-orange)
  • l'axe de la turbine ou encore sur le mode de fixation de la roue à l'arbre. En effet, à ... De manière simple, une turbine Pelton est constituée des éléments suivants : un... jet d'eau comme le montre la figure à la page suivante.... (source : codeart)
Roue Pelton

Une turbine Pelton est un type de turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été découverte en 1879 par Lester Allan Pelton, en Californie.


Principe

Cette turbine est du type «à action» car l'énergie potentielle de l'eau venant d'une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l'action d'un jet d'eau sur les augets de la roue.

Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d'eau, car celle-ci s'écoule librement à la pression atmosphérique. Selon le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites «hautes chutes», > à 400 m avec un faible débit d'eau (< 15 m³/s).

La vitesse d'eau en sortie de l'injecteur répond à la formule[1] :

V_i = \sqrt{2gH}


La vitesse de rotation Vr de la roue doit être identique à la moitié de la vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur, de façon à optimiser le rendement[1] :

V_r = \frac {V_i}{2} = \frac12\sqrt{2gH}.

De cette manière, l'énergie cinétique de l'eau est entièrement transmise à la roue, la vitesse de l'eau devenant presque nulle au creux des augets.


Cette conception permet un rendement exceptionnel de l'ordre de 90%. Le rendement théorique selon la vitesse peut s'écrire[1] :

\eta = \frac {4V_r(V_i - V_r)}{V_iˆ2}∼


La puissance d'une turbine Pelton est de l'ordre de 60 MW. Certaines atteignent 300 à 400 MW (Centrale de Grande Dixence en Suisse).

Cette turbine se définit par l'absence de poussée axiale, simplifiant ainsi la conception et l'entretien des lignes d'arbres des turbines.

Constitution

Turbine Pelton à 6 injecteurs

Une turbine Pelton comporte une roue mobile, pourvue d'aubes nommées «augets» sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à particulièrement grande vitesse, l'eau sur les augets. Le tout est entouré d'une bâche en tôle d'acier conçue pour protéger la roue ainsi qu'à évacuer l'eau.

Roue à augets

Les turbines Pelton utilisent la roue dite «à augets». Cette roue est comparable à un disque équipé d'augets ressemblant à des demi-coquille de noix, positionnés en circonférence. La forme de ces augets est particulièrement évoluée et permet au jet d'eau qui les frappe de se séparer en 2 jets déviés sur les côtés de la roue. Le nombre d'augets répond à une formule issue de l'expérience des constructeurs, soit Z=15+D/2d, avec Z = nombre d'augets, D = Ø primitif, d = Ø du jet d'eau. Leur nombre fluctue de 15 à 25 en pratique. Le diamètre du centre des augets est nommé le Ø Pelton, diamètre qui permet de positionner l'axe du jet d'eau, axe qui doit être tangent à ce Ø Pelton.

Construite le plus fréquemment d'une seule pièce, les roues Pelton sont moulées par coulage, avec des matériaux ferreux fortement alliés en chrome et nickel. Le moulage de ces roues est une opération complexe et délicate, nécessitant des contrôles métallurgiques nombreux et coûteux. Les roues d'un diamètre important (> 1500mm) sont constituées d'une couronne moulée d'augets, couronne fixée entre deux disques servant de moyeu.

La surface intérieure des augets, nommée «intrados», doit avoir un état de surface poli pour optimiser l'écoulement de l'eau. La partie extérieure (extrados) des augets est quelquefois nervurée pour augmenter la tenue mécanique de l'auget.

Roue à augets
Roue à augets
Roue à augets
Roue à augets d'une turbine Pelton de 40kW

L'axe de la roue est généralement horizontal. L'alternateur peut être commandé par une ou deux roues, avec les dispositions suivantes :

  1. Une roue : l'alternateur et la roue sont positionnés côte à côte.
  2. Deux roues : l'alternateur est positionné entre les deux roues.

Injecteur

L'injecteur a pour rôle d'alimenter la roue en eau et de permettre le réglage du débit. L'eau pénètre dans l'injecteur à faible vitesse et en sort à grande vitesse. Il y a par conséquent dans l'injecteur transformation de l'énergie de pression en énergie cinétique, l'eau agissant principalement sur la roue par son énergie cinétique. La vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur ne dépend que de la hauteur de chute, elle est approximativement identique à \sqrt{2gH}.

L'injecteur est composé :

Le corps est comparable à un tube creux, monté en bout de la conduite forcée. Fabriqué en acier coulé, il est rectiligne ou coudé. A la sortie du corps, la buse est soumise à une forte érosion de l'eau et comporte une partie démontable nommée «bec de buse». Cette pièce réalisée en acier inoxydable peut être par conséquent remplacée suivant son usure.

L'aiguille sert d'obturateur et de régleur du débit d'eau en se déplaçant longitudinalement dans le corps de l'injecteur. A l'extrémité de l'aiguille, le pointeau (en forme de radis) est une pièce en acier inoxydable idéalement usinée et polie, venant en contact avec le bec de buse.

La manœuvre de l'aiguille est assurée par un vérin positionné en bout de l'aiguille et fixé sur le corps de l'injecteur. La présence de ce vérin oblige à concevoir une forme coudée pour le corps de l'injecteur. Le guidage de l'aiguille est assurée par un croisillon côté buse (sortie d'eau) et par un presse-étoupe côté vérin. La conception fait que l'aiguille a tendance à se fermer sous la pression d'eau amont pour assurer la sécurité de la fermeture. Le vérin ne sert qu'à la manœuvre d'ouverture et au réglage du jet d'eau.

Injecteur
Injecteur
Injecteur d'une turbine Pelton de 40kW

Déflecteur

Le déflecteur a pour rôle de dévier le jet d'eau, en cas d'incident grave sur la turbine ou sur l'alternateur, sans arrêter l'écoulement de l'eau et d'éviter ainsi les coups de bélier dans la conduite amont ou l'emballement de la turbine.

Le déflecteur est composé :

Après une manœuvre du déflecteur, la roue n'est plus entraînée par le jet, et ce dernier peut être diminué lentement par l'injecteur sans risque. L'efficacité du déflecteur est assurée par sa position tangente au jet d'eau en position normale. Le déflecteur est une pièce le plus fréquemment forgée, à cause des contraintes importantes qu'il subit.

Injecteur
Injecteur
Déflecteur passif Déflecteur activé

Bâche

La bâche est la partie enveloppant la roue, contenant ainsi les projections d'eau (valable seulement pour les turbines à axe horizontal)

Cette bâche est composée :

Le plan de joint entre le bâti et la capote est par conséquent horizontal et passe par l'axe de rotation de la roue. Après chaque démontage, l'étanchéité de ce plan de joint est refaite, par application de pâte d'étanchéité ou par remplacement du joint torique positionné dans une gorge du bâti.

D'autre part, des boucliers métalliques nommés «renvois d'eau» sont fixés dans la partie inférieure du bâti. Ces pièces permettent de récolter l'eau projetée et de la guider vers la fosse d'évacuation.

Quelques centrales en France
LISTE DES CENTRALES HYDRŒLECTRIQUES FRANCAISES TYPE PELTON
les plus puissantes par ordre décroissant[2]
Nom Nombre de turbines Type Puissance (MVA) Débit (m3/s) Hauteur de chute (m)
Grand'Maison 4 Vertical 680 75, 9 962
La Bâthie 6 Vertical 529 55, 6 1208
Villarodin 2 Vertical 390 51 888
Malgovert 4 horizontal 345 50, 7 750
Pragnères 3 horizontal 205 17, 7 1255
Combe d'Avrieux 1 Vertical 132 17, 25 888
Passy 4 horizontal 126 34 387
Montpezat 2 horizontal 126 26, 5 628
Montahut 2 Vertical 110 19, 8 921
Aston 4 horizontal 101 22, 2 519
Hospitalet 3 horizontal 99 15, 2 785
Aussois 3 horizontal 90 12, 6 860
Orlu 2 horizontal 85 11 990
Nentilla 2 horizontal 60 12, 4 526
St Martin Vésubie 2 horizontal 57 8, 8 730
Portillon 1 horizontal 55 3, 7 1410
Pralognan 3 horizontal 51 8 724
Merens 2 horizontal 45 16, 9 327

Notes

  1. abc (en) James B. Calvert - Impulse Turbines : The Pelton Wheel
  2. EDF - Direction Production

Voir aussi

Liens externes

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