La turbine à réaction est un type de machine hydraulique qui convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique en utilisant la pression du débit d'eau.
(1) Structure. Les principaux composants structurels d'une turbine à réaction comprennent la roue, la chambre d'amenée, le mécanisme de guidage d'eau et l'aspirateur.
1) Roue. La roue est un composant de la turbine hydraulique qui convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique rotative. La structure de la roue varie selon le sens de conversion de l'énergie hydraulique. La roue d'une turbine Francis est composée d'aubes hélicoïdales profilées, d'une couronne et d'une couronne inférieure ; celle d'une turbine à flux axial est composée d'aubes, d'un corps de roue, d'un cône de décharge et d'autres composants principaux. La structure de la roue d'une turbine à flux incliné est complexe. L'angle de positionnement des aubes varie selon les conditions de fonctionnement et s'adapte 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 d'amenée. Sa fonction est d'assurer un écoulement uniforme de l'eau vers le mécanisme de guidage, de réduire les pertes d'énergie et d'améliorer le rendement de la turbine hydraulique. Un carter spiralé métallique de section circulaire est souvent utilisé pour les turbines hydrauliques de grande et moyenne taille avec une hauteur d'eau supérieure à 50 m, tandis qu'un carter spiralé en béton de section trapézoïdale est souvent utilisé pour les turbines avec une hauteur d'eau 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 rotatifs, disposés uniformément sur la périphérie de la roue. Sa fonction est de guider uniformément le flux d'eau vers la roue et de modifier le débit de la turbine hydraulique en ajustant l'ouverture des aubes directrices, afin de répondre aux exigences de charge du groupe électrogène. Il assure également l'étanchéité à l'eau lorsqu'il est complètement fermé.
4) Aspirateur. Une partie de l'énergie résiduelle de l'écoulement d'eau à la sortie de la roue n'a pas été utilisée. L'aspirateur a pour fonction de récupérer cette énergie et d'évacuer l'eau en aval. On distingue les aspirateurs de forme conique droite et les aspirateurs de forme courbe. Le premier présente un coefficient énergétique élevé et convient généralement aux petites turbines horizontales et tubulaires. Bien que ses performances hydrauliques soient inférieures à celles du cône droit, la profondeur d'excavation est faible et il est largement utilisé dans les turbines à réaction de grande et moyenne taille.
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(2) Classification. La turbine à réaction est divisée en turbine Francis, turbine diagonale, turbine axiale et turbine tubulaire selon le sens d'écoulement de l'eau traversant la surface de l'arbre de la roue.
1) Turbine Francis. La turbine Francis (flux radial axial ou Francis) est une turbine à réaction dans laquelle l'eau circule radialement autour de la roue et axialement. Ce type de turbine offre une large plage de hauteurs de chute (30 à 700 m³), une structure simple, un faible volume et un faible coût. La plus grande turbine Francis mise en service en Chine est celle de la centrale hydroélectrique d'Ertan, avec une puissance nominale de 582 MW et une puissance maximale de 621 MW.
2) Turbine à flux axial. La turbine à flux axial est une turbine à réaction dans laquelle l'eau entre et sort axialement de la roue. Ce type de turbine se divise en deux types : hélice fixe (hélice) et hélice rotative (hélice Kaplan). Les pales de la première sont fixes, celles de la seconde sont rotatives. La capacité de refoulement de la turbine à flux axial est supérieure à celle de la turbine Francis. La position des pales de la turbine à rotor pouvant varier en fonction des variations de charge, elle offre un rendement élevé sur une large plage de variations de charge. La résistance à la cavitation et la résistance mécanique de la turbine à flux axial sont inférieures à celles de la turbine Francis, et sa structure est également plus complexe. Actuellement, la hauteur de chute de ce type de turbine dépasse 80 m.
3) Turbine tubulaire. L'écoulement de l'eau de ce type de turbine s'effectue axialement, de l'écoulement axial vers la roue, sans rotation avant ni après la roue. La plage de hauteur d'eau d'utilisation est de 3 à 20. Elle présente les avantages suivants : faible hauteur de fuselage, bonnes conditions d'écoulement de l'eau, rendement élevé, faible volume de travaux de génie civil, faible coût, absence de volute et d'aspirateur courbé. Plus la hauteur d'eau est faible, plus ses avantages sont évidents.
Selon le mode de connexion et de transmission du générateur, les turbines tubulaires sont divisées en deux catégories : tubulaires et semi-tubulaires. Ces dernières sont subdivisées en bulbes, à arbre et à extension d'arbre. Ces dernières se divisent en arbres inclinés et horizontaux. Actuellement, les turbines tubulaires à bulbe, à extension d'arbre et à arbre sont les plus répandues, principalement pour les petites unités. Ces dernières années, le type à arbre est également utilisé pour les unités de grande et moyenne taille.
Le générateur de l'unité tubulaire à extension axiale est installé à l'extérieur du canal d'eau et relié à la turbine hydraulique par un arbre long incliné ou horizontal. La structure de ce type d'extension d'arbre est plus simple que celle du type bulbe.
4) Turbine à flux diagonal. La structure et la taille de la turbine à flux diagonal (également appelée diagonale) se situent entre celles de Francis et celles de l'écoulement axial. La principale différence réside dans l'angle entre l'axe des pales et celui de la turbine. Grâce à ses caractéristiques structurelles, l'unité ne peut s'enfoncer pendant son fonctionnement ; un dispositif de protection contre les déplacements axiaux est donc installé dans la deuxième structure pour éviter toute collision entre les pales et la chambre de la turbine. La plage de hauteur manométrique d'utilisation de la turbine à flux diagonal est de 25 à 200 m.
À l'heure actuelle, la plus grande puissance de sortie nominale d'une turbine à chute inclinée au monde est de 215 MW (ex-Union soviétique) et la hauteur d'utilisation la plus élevée est de 136 m (Japon).
Date de publication : 01/09/2021
