La turbine Pelton (également appelée roue Pelton ou turbine Bourdain) est un type de turbine à impact, développée par l'inventeur américain Alan Pelton. Contrairement aux roues à aubes traditionnelles entraînées par le poids de l'eau, les turbines Pelton utilisent le courant de l'eau qui frappe la roue pour produire de l'énergie. Avant la publication du modèle de Pelton, plusieurs versions de turbines à impact existaient, mais elles étaient moins efficaces. En effet, l'eau conserve généralement une certaine vitesse après avoir traversé la roue, ce qui entraîne une perte importante d'énergie cinétique. La géométrie de la roue Pelton est telle que l'hélice ne quitte la roue qu'à une vitesse très faible, après avoir atteint la moitié de la vitesse du jet d'eau. Ainsi, le modèle de Pelton capture presque intégralement l'énergie d'impact de l'eau, ce qui confère à la turbine un rendement élevé.
Après son entrée dans la conduite, le flux d'eau à haut débit et à grande vitesse est dirigé, via le robinet à pointeau, vers les pales en forme d'auget de la roue motrice, entraînant ainsi cette dernière. Ces pales, également appelées pales d'impact, entourent la roue motrice et forment l'ensemble de celle-ci. (Voir photo pour plus de détails : Turbine Pelton ancienne). Lorsque le jet d'eau frappe les pales, la forme de l'auget modifie la direction du flux. La force de cet impact exerce un moment sur l'auget et la roue motrice, et est utilisée pour faire tourner cette dernière. Le flux d'eau étant irréversible, la sortie d'eau se situe à l'extérieur de l'auget, et le débit chute considérablement. Durant ce processus, l'énergie cinétique du jet est transmise à la roue motrice, puis à la turbine. Ainsi, le choc produit un travail mécanique pour la turbine. Afin d'optimiser la puissance et le rendement de la turbine, le système rotor-turbine est conçu pour doubler la vitesse du jet de fluide sur l'auget. Une infime partie de l'énergie cinétique initiale du jet reste dans l'eau, ce qui permet à l'auget de se vider et de se remplir à la même vitesse (principe de conservation de la masse). Ainsi, l'injection de fluide haute pression se poursuit sans interruption, évitant tout gaspillage d'énergie. Généralement, deux augets sont montés côte à côte sur le rotor, divisant le flux d'eau en deux conduites égales pour la projection (voir illustration). Cette configuration équilibre les forces latérales exercées sur le rotor et assure un fonctionnement régulier, tout en transférant l'énergie cinétique des jets de fluide au rotor de la turbine hydraulique.
L'eau et la plupart des liquides étant quasiment incompressibles, la quasi-totalité de l'énergie disponible est captée dès le premier étage, après l'entrée du fluide dans la turbine. Les turbines Pelton, quant à elles, ne possèdent qu'une seule roue mobile, contrairement aux turbines à gaz qui fonctionnent avec des fluides compressibles.
Applications pratiques : Les turbines Pelton sont parmi les plus performantes pour la production d'énergie hydroélectrique et sont particulièrement adaptées aux environnements où la source d'eau présente une forte hauteur de chute et un faible débit. Ainsi, dans ces conditions, la turbine Pelton est la plus efficace, même divisée en deux flux, car elle conserve théoriquement la même énergie. De plus, les conduites d'injection des deux flux doivent être de qualité comparable ; l'une nécessite un tube long et fin, l'autre un tube court et large. Les turbines Pelton peuvent être installées sur des sites de toutes tailles. Il existe déjà des centrales hydroélectriques équipées de turbines Pelton à axe vertical hydraulique de plusieurs tonnes. La plus grande unité installée peut atteindre 200 MW. Les plus petites turbines Pelton, quant à elles, ne mesurent que quelques centimètres de diamètre et peuvent être utilisées pour extraire de l'énergie de cours d'eau dont le débit est de quelques litres par minute. Certains systèmes de distribution d'eau potable domestiques utilisent des roues hydrauliques de type Pelton. Ces petites turbines Pelton sont recommandées pour une hauteur de chute d'au moins 9,1 m (30 pieds) afin de produire une puissance significative. Actuellement, compte tenu du débit et de la conception, la hauteur de chute optimale pour l'installation d'une turbine Pelton se situe entre 14,9 et 1 799,8 mètres (49 et 5 905 pieds), mais il n'existe pas de limite théorique à ce jour.
Date de publication : 2 avril 2022
