La turbine à contre-attaque est un type de machine hydraulique qui utilise la pression du courant d'eau pour convertir l'énergie de l'eau en énergie mécanique.
(1) Structure. Les principaux composants structurels de la turbine de contre-attaque sont la roue, la chambre de dérivation d'eau, le mécanisme de guidage d'eau et le tube d'aspiration.
1) Roue. La roue est un élément de la turbine hydraulique qui convertit l'énergie du courant en énergie mécanique de rotation. Selon le sens de conversion de l'énergie hydraulique, la structure des roues des différentes turbines à contre-courant varie. La roue d'une turbine Francis est composée d'aubes profilées et hélicoïdales, d'une couronne, d'une bague inférieure et d'autres composants verticaux principaux ; celle d'une turbine axiale est composée d'aubes, d'un corps de roue, d'un cône de drainage et d'autres composants principaux ; la structure de la roue d'une turbine diagonale est plus complexe. L'angle d'inclinaison des aubes peut être modifié en fonction des conditions de fonctionnement et adapté à l'ouverture des aubes directrices. L'axe de rotation des aubes forme un angle oblique (45° à 60°) avec l'axe de la turbine.
2) Chambre de dérivation d'eau. Son rôle est d'assurer un débit d'eau régulier vers le mécanisme de guidage, de réduire les pertes d'énergie et d'améliorer le rendement de la turbine. Les turbines de grande et moyenne taille utilisent généralement des volutes métalliques à section circulaire pour les hauteurs de chute supérieures à 50 m, et des volutes en béton à section trapézoïdale pour celles dont la hauteur de chute est inférieure à 50 m.
3) Mécanisme de guidage de l'eau. Il est généralement composé d'un certain nombre d'aubes directrices profilées et de leurs mécanismes de rotation, répartis uniformément sur la périphérie de la roue. Sa fonction est de diriger le flux d'eau de manière homogène vers la roue et, en ajustant l'ouverture des aubes directrices, de modifier le débit de la turbine afin de répondre aux besoins de charge du groupe électrogène. Il assure également l'étanchéité à l'eau lorsqu'il est complètement fermé.
4) Tube d'aspiration. L'eau à la sortie de la roue possède encore une partie de son énergie excédentaire non utilisée. Le rôle du tube d'aspiration est de récupérer cette énergie et de rejeter l'eau en aval. Il existe deux types de tubes d'aspiration : à cône droit et courbe. Le premier présente un coefficient énergétique élevé et convient généralement aux petites turbines horizontales et tubulaires ; le second offre des performances hydrauliques inférieures à celles des cônes droits, mais nécessite une profondeur d'enfouissement moindre et est largement utilisé dans les turbines à contre-attaque de grande et moyenne taille.
(2) Classification. Selon la direction axiale du flux d'eau à travers la roue, la turbine à impact est divisée en turbine Francis, turbine à flux diagonal, turbine à flux axial et turbine tubulaire.
1) Turbine Francis. La turbine Francis (ou turbine à flux axial radial) est une turbine à contre-courant dans laquelle l'eau s'écoule radialement de la circonférence de la roue vers l'axe de la turbine. Ce type de turbine présente une large plage de hauteurs de chute (30 à 700 m), une structure simple, un faible encombrement et un coût réduit. La plus grande turbine Francis en service en Chine est celle de la centrale hydroélectrique d'Ertan, d'une puissance nominale de 582 MW et d'une puissance maximale de 621 MW.
2) Turbine axiale. La turbine axiale est une turbine à aubes rotatives dans laquelle l'eau entre et sort de la roue selon l'axe axial. Ce type de turbine se divise en deux catégories : à aubes fixes (ou turbines à vis) et à aubes rotatives (ou turbines Kaplan). Les aubes des premières sont fixes, tandis que celles des secondes sont mobiles. Le débit de la turbine axiale est supérieur à celui de la turbine Francis. Grâce à la capacité de ses aubes à s'adapter aux variations de charge, la turbine axiale offre un meilleur rendement sur une large plage de variations de charge. Cependant, sa résistance à la cavitation et sa robustesse mécanique sont inférieures à celles de la turbine Francis, et sa structure est plus complexe. Actuellement, la hauteur de chute admissible pour ce type de turbine atteint 80 mètres, voire plus.
3) Turbine tubulaire. Dans ce type de turbine, l'eau s'écoule axialement de la roue, sans rotation en amont ni en aval. La hauteur de chute utile est de 3 à 20 mètres. Le corps de turbine présente les avantages suivants : faible hauteur, écoulement optimal, rendement élevé, génie civil réduit, faible coût, absence de volutes et de tubes d'aspiration courbes. Ces avantages sont d'autant plus marqués que la hauteur de chute est faible.
Les turbines tubulaires se divisent en deux catégories : à flux traversant et à flux semi-traversant, selon le mode de raccordement du générateur et le mode de transmission. Les turbines à flux semi-traversant se subdivisent en turbines à bulbe, à arbre et à arbre allongé. Ces dernières se déclinent également en deux variantes : à axe oblique et à axe horizontal. Actuellement, les turbines tubulaires à bulbe, à arbre allongé et à arbre vertical sont les plus couramment utilisées dans les petites centrales. Ces dernières années, les turbines à arbre vertical ont également trouvé leur place dans les centrales de grande et moyenne taille.
Le générateur du groupe tubulaire à rallonge d'arbre est installé hors du cours d'eau et relié à la turbine par un arbre incliné plus long ou un arbre horizontal. Cette structure à rallonge d'arbre est plus simple que celle à bulbe.
4) Turbine à flux diagonal. La structure et les dimensions de la turbine à flux diagonal (également appelée turbine diagonale) se situent entre celles des turbines à flux mixte et celles des turbines à flux axial. La principale différence réside dans l'angle formé par l'axe des aubes de la roue et l'axe de la turbine. Du fait de ses caractéristiques structurelles, l'unité ne doit pas s'enfoncer en fonctionnement ; un dispositif de protection contre le déplacement axial est donc installé dans la seconde structure afin de prévenir tout accident lié à une collision entre les aubes et la chambre de la roue. La hauteur de chute admissible pour une turbine à flux diagonal est de 25 à 200 m.
Date de publication : 19 octobre 2021
