turbine (suite)

Ces calculs simples d’avant-projet sont naturellement suivis de développements très complets, et, quand un tracé définitif est envisagé, on a l’habitude de réaliser, toujours d’après les règles élémentaires de similitude, des modèles d’essai de faibles dimensions à bon marché pour vérifier ainsi l’exactitude des calculs théoriques. Sur un graphique, on trace des courbes comportant les régimes de rotation en abscisses et les puissances en ordonnées ; les courbes d’égal rendement donnent à ce graphique l’allure des courbes de niveau dans une carte géographique, et, pour cette raison, sont appelées courbes en colline. Toutefois, s’il y a similitude entre les dimensions des turbines et les hauteurs de chute, il n’y a pas similitude pour les rendements, de sorte que des termes correctifs sont à prendre en considération.

Réalisations industrielles

• Une roue Pelton a une allure bien caractéristique avec, à sa périphérie, des augets à échancrure médiane, en forme de double cuiller ; l’eau pénètre au moyen d’injecteurs, ou jets, dont chacun est constitué d’une buse et d’une aiguille d’injection à position réglable pour permettre une injection d’eau totale, partielle ou même nulle. On peut installer jusqu’à six jets, au prix, il est vrai, d’une grande complication mécanique. Les roues Pelton sont généralement montées à axe vertical, c’est-à-dire qu’elles tournent dans un plan horizontal. Leur domaine est celui des hautes chutes (hauteur maximale installée, 1 765 m en Autriche ; hauteur minimale, vers 200 m), avec un débit relativement faible (10 m³/s). La puissance maximale sur une seule roue est voisine de 200 MW (centrale Alsthom du Mont-Cenis). Le régime de rotation des roues Pelton se situe entre 300 et 1 000 tr/mn.

• Une roue Francis comprend essentiellement une quinzaine d’aubages fixes, disposés entre deux flasques plans et parallèles contenant des aubages directeurs à incidence variable. D’un diamètre qui peut dépasser 5 m, elle est généralement montée à axe vertical, c’est-à-dire qu’elle tourne dans un plan horizontal. Son domaine est celui des chutes moyennes, entre 600 et 50 m, avec des débits pouvant atteindre 200 m³/s. Son régime de rotation varie de 150 à 800 tr/mn. La puissance maximale a été obtenue par Alsthom à Churchill Falls (Canada) avec 500 MW sur une seule roue.

• Une roue Kaplan a l’allure générale d’un moyeu d’hélice sur lequel on monte de trois à huit pales à pas variable, ce qui permet de toujours utiliser la meilleure forme d’écoulement en fonction de l’irrégularité du débit d’eau. En variante, la roue hélice possède des pales à pas fixe. Le domaine de ces roues est celui des faibles chutes (de 70 à 2 ou 3 m), ce qui constitue un aspect très intéressant, car il existe de nombreuses possibilités de centrales dites « de rivière » ; les débits peuvent atteindre 500 m³/s. Ces roues ont un diamètre sensiblement voisin de celui des roues précédentes, et leur régime de rotation varie de 60 à 220 tr/mn. Ce type de roue s’est considérablement développé sous la forme du groupe-bulbe, ou groupe tubulaire. Il s’agit d’une machine immergée contenant à son intérieur une roue entraînant directement un alternateur électrique ; l’ensemble est monté dans une enveloppe étanche de révolution située en amont de la roue et formant une protubérance en forme de bulbe.

En France, l’usine marémotrice de la Rance est équipée de vingt-quatre groupes-bulbes identiques, chacun développant 10 MW sous une hauteur de chute de 6,50 m avec un débit maximal de 283 m³/s et un régime de 93,7 tr/mn. Chaque roue a un diamètre de 5,35 m. La Rance, petit fleuve côtier breton, se jette dans la Manche entre Saint-Malo et Dinard par un vaste estuaire s’étendant sur une vingtaine de kilomètres à l’intérieur des terres. Compte tenu de la situation géographique locale, les marées ont une amplitude moyenne de 8,50 m et atteignent 13,50 m en vive eau exceptionnelle. L’estuaire de la Rance constitue un bassin naturel situé en amont de l’usine, ce qui permet de réaliser une chute entre le bassin et la mer, soit en maintenant la retenue au niveau de la haute mer pendant que celle-ci baisse, soit en la laissant au niveau de la basse mer, tandis que celle-ci remonte. D’autre part, les vingt-quatre groupes peuvent fonctionner en écoulement inversé grâce à l’incidence variable des profils fixes et mobiles, ce qui permet de pomper de l’eau lors des heures creuses et d’utiliser ainsi une plus grande hauteur de chute. On installe souvent des groupes-bulbes comme centrales de rivière, avec des roues de 3 à 4,5 m de diamètre ; les débits et les hauteurs de chute sont généralement variables, mais on obtient des puissances intéressantes : quatre groupes de 20 MW à Pierre-Bénite, sur le Rhône, et quatre groupes de 35 MW à Beaucaire, également sur le Rhône.

Avenir des installations hydrauliques

Les chutes hautes et moyennes susceptibles d’être utilisées sont de plus en plus rares, et le domaine hydraulique se développe particulièrement sous l’aspect des chutes de faible hauteur (souvent inférieure à 10 m). On s’efforce d’accroître la puissance unitaire par roue, dans la limite des possibilités de fabrication mécanique. D’autre part, on réalise très souvent, spécialement avec les roues Kaplan, des installations qui sont un compromis entre celles d’une turbine et celles d’une pompe, afin de permettre, aux heures creuses où une puissance faible est nécessaire sur le réseau électrique, de pomper à bon marché de l’eau qui sera provisoirement stockée dans un bassin avant d’être envoyée dans des turbines industrielles. Le pompage suivi d’un stockage en bassin est ainsi le complément indispensable des installations hydrauliques de puissance.

Turbine à vapeur

Une turbine à vapeur est une machine servant à transformer en énergie mécanique utilisable toute l’énergie interne contenue à l’intérieur d’un volume donné de vapeur d’eau préalablement chauffée et mise sous pression ; cette énergie interne s’exprime en valeurs d’enthalpie, dont la représentation graphique est normalement effectuée sur un diagramme de Mollier.