Il existe de nombreux types de générateurs hydroélectriques. Aujourd'hui, nous allons présenter en détail le générateur hydroélectrique à flux axial. Ces dernières années, son application s'est principalement concentrée sur le développement de centrales à haute chute et de grande taille. Le développement des turbines à flux axial en Chine est également rapide. La centrale hydroélectrique de Gezhouba, en construction, est équipée de deux types de turbines à aubes à flux axial. L'une d'elles possède une roue de 11,3 m de diamètre, un diamètre comparable à celui de turbines similaires dans le monde. Voici les avantages et les inconvénients de la turbine à flux axial de taille intermédiaire.
Avantages de la turbine à flux axial
Comparée à la turbine Francis, la turbine axiale présente les principaux avantages suivants :
1. Vitesse spécifique élevée et excellentes caractéristiques énergétiques. Par conséquent, sa vitesse et son débit unitaires sont supérieurs à ceux d'une turbine Francis. À hauteur de chute et puissance égales, elle permet de réduire considérablement la taille et le poids du groupe turbo-alternateur, ainsi que la consommation de matériaux, ce qui se traduit par une rentabilité élevée.
2. La forme et la rugosité de surface des aubes de la roue d'une turbine axiale répondent aisément aux exigences de fabrication. Grâce à la rotation des aubes, le rendement moyen d'une turbine axiale est supérieur à celui d'une turbine Francis. De plus, le rendement varie peu en fonction de la charge et de la hauteur de chute.
3. Les pales de la turbine à aubes à flux axial peuvent être démontées pour faciliter la fabrication et le transport.
Par conséquent, la turbine axiale assure un fonctionnement stable sur une large plage de régimes, réduit les vibrations et offre un rendement et une puissance élevés. En cas de faible hauteur de chute, elle remplace presque totalement la turbine Francis. Ces dernières décennies, elle a connu un développement important et une large application, tant en termes de puissance unitaire que de hauteur de chute.
3. Inconvénients de la turbine à flux axial
Cependant, la turbine axiale présente également des inconvénients et limite son champ d'application. Ses principaux inconvénients sont :
1. Le nombre de pales est faible et en porte-à-faux, donc la résistance est faible et ne peut pas être appliquée aux centrales hydroélectriques de moyenne et haute chute.
2. En raison du débit unitaire important et de la vitesse unitaire élevée, sa hauteur d'aspiration est plus faible que celle d'une turbine Francis sous la même hauteur d'eau, ce qui entraîne une grande profondeur d'excavation et un investissement relativement élevé pour les fondations de la centrale électrique.
Compte tenu des limitations des turbines axiales, la hauteur de chute applicable est constamment améliorée grâce à l'adoption de nouveaux matériaux à haute résistance et à faible cavitation lors de leur fabrication, ainsi qu'à l'optimisation des contraintes sur les aubes lors de leur conception. Actuellement, la plage de hauteur de chute applicable des turbines axiales à hélice s'étend de 3 à 90 m, les plaçant ainsi dans le domaine des turbines Francis. À titre d'exemple, une turbine axiale à hélice étrangère développe une puissance de 181 700 kW, une hauteur de chute de 88 m et un diamètre de roue de 10,3 m. Une turbine axiale à hélice de fabrication chinoise développe quant à elle une puissance de 175 000 kW, une hauteur de chute de 78 m et un diamètre de roue de 11,3 m. Les turbines axiales à hélice fixe, avec leurs aubes fixes et leur structure simple, ne sont pas adaptées aux centrales hydroélectriques soumises à d'importantes variations de hauteur de chute et de charge. Pour les grandes centrales hydroélectriques à chute d'eau stable, assurant une production de base ou en plusieurs unités, cette solution peut être envisagée après une analyse économique, notamment en période de forte production d'électricité saisonnière. Sa plage de chute d'eau applicable est de 3 à 50 m. La turbine à hélice axiale est généralement verticale et son fonctionnement est similaire à celui d'une turbine Francis. La différence réside dans le fait qu'en cas de variation de charge, elle ajuste non seulement la rotation de l'aube directrice, mais aussi celle de la roue afin de maintenir un rendement élevé.
Nous avons déjà présenté la turbine Francis. Parmi les générateurs hydroélectriques, la turbine Francis se distingue nettement de la turbine axiale. Par exemple, la structure de leur roue est différente : les pales de la turbine Francis sont presque parallèles à l’arbre principal, tandis que celles de la turbine axiale sont presque perpendiculaires à cet arbre.
Date de publication : 19 avril 2022
