La turbine hydraulique est une turbomachine de la mécanique des fluides. Dès 100 av. J.-C. environ, le prototype de la turbine hydraulique, la roue hydraulique, est apparu. À cette époque, sa fonction principale était d'entraîner des machines pour le traitement des céréales et l'irrigation. La roue hydraulique, dispositif mécanique utilisant le débit d'eau comme énergie, a évolué pour devenir la turbine hydraulique actuelle, et son champ d'application s'est également élargi. Où les turbines hydrauliques modernes sont-elles principalement utilisées ?
Les turbines sont principalement utilisées dans les centrales de pompage-turbinage. Lorsque la charge du réseau est inférieure à la charge de base, elles peuvent être utilisées comme pompe à eau pour exploiter la capacité de production excédentaire et pomper l'eau du réservoir aval vers le réservoir amont afin de stocker de l'énergie sous forme d'énergie potentielle. Lorsque la charge du réseau est supérieure à la charge de base, elles peuvent être utilisées comme turbine hydraulique pour produire de l'électricité et réguler les pointes de charge. Par conséquent, une centrale de pompage-turbinage pure ne peut pas augmenter la puissance du réseau, mais elle peut améliorer l'économie d'exploitation des unités de production d'électricité thermique et accroître le rendement global du réseau. Depuis les années 1950, les centrales de pompage-turbinage ont été largement valorisées et se sont rapidement développées dans le monde entier.
La plupart des unités de pompage-turbinage développées à leurs débuts ou avec une forte hauteur d'eau adoptent le modèle à trois machines, c'est-à-dire qu'elles sont composées d'un moteur-générateur, d'une turbine hydraulique et d'une pompe à eau en série. Leur avantage réside dans la conception séparée de la turbine et de la pompe à eau, ce qui permet un rendement supérieur. L'unité tourne dans le même sens pour la production d'électricité et le pompage de l'eau, et permet une conversion rapide de la production d'électricité au pompage, et inversement. La turbine peut également servir au démarrage de l'unité. Son inconvénient réside dans son coût élevé et l'investissement conséquent dans la centrale.
Les pales de la roue de la turbine de la pompe à flux oblique sont rotatives et conservent de bonnes performances opérationnelles quelles que soient la hauteur d'eau et la charge. Cependant, en raison des limitations des caractéristiques hydrauliques et de la résistance des matériaux, au début des années 1980, sa hauteur nette n'était que de 136,2 mètres (première centrale électrique de Takagen, au Japon). Pour des hauteurs d'eau plus élevées, des turbines à pompe Francis sont nécessaires.
La centrale de pompage-turbinage possède des réservoirs supérieurs et inférieurs. À accumulation d'énergie égale, l'augmentation de la hauteur d'élévation permet de réduire la capacité de stockage, d'augmenter la vitesse de l'unité et de réduire le coût du projet. Par conséquent, les centrales de stockage d'énergie à haute chute, au-dessus de 300 mètres, ont connu un développement rapide. La pompe-turbine Francis, dotée de la plus haute chute d'eau au monde, est installée à la centrale de Baina Basta, en Yougoslavie. Depuis le XXe siècle, les centrales hydroélectriques se sont développées vers des paramètres élevés et une grande capacité. Avec l'augmentation de la capacité thermique du réseau électrique et le développement de l'énergie nucléaire, afin de résoudre le problème de la régulation raisonnable des pointes de production, et en plus du développement ou de l'extension vigoureux des centrales électriques de grande taille dans les principaux réseaux hydrographiques, les pays du monde entier construisent activement des centrales de pompage-turbinage, ce qui a entraîné un développement rapide des pompes-turbines.
En tant que machine motrice convertissant l'énergie du courant d'eau en énergie mécanique rotative, une turbine hydraulique est un élément indispensable d'un groupe hydroélectrique. De nos jours, la protection de l'environnement devient un enjeu de plus en plus important, et l'utilisation et la promotion de l'hydroélectricité, énergie propre, se développent. Afin d'exploiter pleinement les diverses ressources hydrauliques, les marées, les rivières de plaine à très faible dénivellation et même les vagues ont également suscité un intérêt croissant, ce qui a entraîné le développement rapide des turbines tubulaires et autres petites unités.
Date de publication : 23 mars 2022
