Le captage d'énergie hydraulique par turbine hélice ou Kaplan transforme la chute d'un site, une pression, en couple sur un arbre. Quatre organes y travaillent ensemble : la bâche spirale qui amène l'eau, le distributeur qui la met en rotation et règle le débit, la roue qui prend l'énergie, l'aspirateur qui récupère ce qui reste. Cette première partie décrit ces organes, les types de turbines, la puissance d'un site et les rendements ; les deux suivantes traitent la relation entre distributeur et hélice et la méthode de conception.

Une turbine Kaplan : l'eau arrive par la bâche, tourne dans le distributeur, traverse la roue et repart par l'aspirateur.

Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques :

• Captage par turbine Kaplan 1/3 : les organes et le fonctionnement
• Captage par turbine Kaplan 2/3 : la relation distributeur-hélice
• Captage par turbine Kaplan 3/3 : la méthode de conception
• Didacticiel de centrale hydraulique 1/3 : puissance du site et roue
• Didacticiel de centrale hydraulique 2/3 : distributeur et volute
• Didacticiel de centrale hydraulique 3/3 : aspirateur, équilibrage et cavitation

Au sommaire de cette page :

• Pourquoi une méthode accessible
• Turbines à action et à réaction : Pelton, Francis, Kaplan
• La puissance hydraulique du site : chute brute, chute nette, pertes de charge
• Rendement de la turbine, du générateur et de l'installation
• Les quatre organes : bâche, distributeur, roue, aspirateur

1 : Pourquoi une méthode accessible

Le captage de l'énergie hydraulique est un exemple d'inventivité : les principes apprivoisés au fil des siècles ont donné les centrales les plus modernes. Dans la course à l'énergie propre, une turbine hydraulique reste un moyen de produire une énergie localisée, dimensionnée en harmonie avec son site. Mais la rentabilité du projet impose une conception raisonnée de chaque organe, et de nombreux petits sites sont délaissés parce que la littérature, riche, reste réservée à un public mathématicien. Les mathématiques ne sont pourtant qu'un reflet des phénomènes physiques : il doit être possible de les décrire en langage naturel.

Les calculs restent incontournables. Nous les confions à Heliciel, qui calcule la roue par la théorie de l'élément de pale (BEM, Blade Element Momentum) et dimensionne l'ouvrage autour d'elle dans son atelier Hydro Turbine design : bâche, distributeur, aspirateur, pertes de charge et bilan de charge de la veine. Nous restons ainsi concentrés sur les phénomènes physiques et les transformations d'énergie. Cet article propose une méthode complète, des outils, et un didacticiel exemple pour mettre la conception d'une petite centrale à hélice à la portée de chacun. Il reste ouvert à vos contributions (contact@heliciel.com).

Les bases mathématiques utiles sont regroupées dans un rappel sur la relation entre puissance, énergie, travail et débit, à consulter en parallèle.

L'installation de l'exemple en perspective 3D : la bâche spirale, le distributeur, la roue, et les trajectoires de l'eau colorées par sa vitesse, bleues dans la spirale, vertes et jaunes à la roue.

Interface Hydro Turbine de Heliciel (nécessite une licence Mecaflux Suite)

2 : Turbines à action et à réaction : Pelton, Francis, Kaplan

Le captage de l'énergie de l'eau prend des formes diverses selon la puissance du site. Les deux paramètres déterminants sont la hauteur de chute et le débit, et l'on distingue deux familles.

Les turbines à action ne travaillent qu'avec l'énergie cinétique du fluide, à pression ambiante : la turbine Pelton, faite pour les grandes chutes et les faibles débits, ou la turbine Crossflow.

Les turbines à action : un jet, une roue, la pression atmosphérique.

Les turbines à réaction combinent l'énergie cinétique et l'énergie de pression, c'est-à-dire la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'une turbine placée dans une conduite : la turbine Francis convient aux chutes et vitesses moyennes, la turbine Kaplan ou hélice aux faibles chutes et aux forts débits.

Les turbines à réaction : Francis et Kaplan travaillent en conduite, sous pression.

Le site Heliciel est dédié aux hélices : nous détaillons donc la conception des turbines de type bulbe, Straflo, Kaplan ou hélice, qui transforment la puissance hydraulique en puissance mécanique par une hélice. La vitesse spécifique dit, pour votre chute et votre débit, laquelle des trois familles convient : Heliciel la calcule et la situe sur l'abaque des constructeurs.

3 : La puissance hydraulique du site : chute brute, chute nette, pertes de charge

La puissance hydraulique du site dépend de la différence de hauteur H, en mètres, entre les surfaces des bassins amont et aval, et du débit Q, en m³/s, qui traverse l'installation :

P (W) = Q (m³/s) × H (m) × ρ (kg/m³) × g (m/s²)

avec ρ la masse volumique de l'eau et g l'accélération de la pesanteur. Un site de 12 m³/s sous 4 m porte ainsi 12 × 4 × 999,7 × 9,81 = 470 750 W, soit 471 kW bruts : c'est l'exemple des didacticiels.

Distinguons la chute brute de la chute nette. En descendant du bassin amont au bassin aval, l'eau frotte sur les parois et rencontre des obstacles qui lui prennent de l'énergie. Cette perte d'énergie dans les conduites s'appelle la perte de charge et s'exprime en mètres : tout se passe comme si la chute était plus faible.

Chute brute, pertes de charge, chute nette.

• Chute brute Hb (m) : le dénivelé entre bassin amont et bassin aval.
• Chute nette Hn (m) : Hb moins les pertes de charge du parcours. Heliciel les calcule poste par poste dans Hydro Turbine design : conduite forcée (formule de Colebrook), bâche, distributeur, tube de jonction, coude et aspirateur.

On parle donc de puissance brute ou de puissance nette selon la chute que l'on met dans la formule. La puissance nette, ρ·g·Q·Hn, est celle que la roue peut recevoir : Heliciel l'appelle la puissance disponible.

La vitesse axiale de l'eau dans la roue se déduit du débit et de la section balayée : V (m/s) = Q (m³/s) / S (m²), S étant l'anneau entre le moyeu et le bout des pales.

La section balayée par l'hélice : un anneau entre le moyeu et le bout des pales.

En traversant la roue, l'eau lui cède de l'énergie : sa pression tombe de l'entrée à la sortie, et cette chute de pression, pour un débit donné, est ce que la roue absorbe. La chute nette doit donc suffire à la chute que la roue consomme, aspirateur compris : c'est le bilan d'équilibre que nous verrons dans la méthode.

4 : Rendement de la turbine, du générateur et de l'installation

Pour obtenir de l'électricité, nous transformons la puissance hydraulique en puissance mécanique sur l'arbre, puis en puissance électrique dans un générateur. Aucun de ces organes n'est parfait.

• Rendement de la turbine = puissance mécanique (W) / puissance hydraulique (W). Heliciel distingue le rendement du parcours, Hn/Hb, le rendement de la roue, puissance à l'arbre sur puissance disponible, et le rendement global, puissance à l'arbre sur puissance brute du site.
• Rendement du générateur = puissance électrique délivrée (W) / puissance mécanique (W).
• Rendement global = puissance électrique délivrée (W) / puissance hydraulique du site (W).

Sur l'exemple des didacticiels, Heliciel rend 390 kW à l'arbre pour 402 kW disponibles et 471 kW bruts : 85 % pour le parcours, 97 % pour la roue, 83 % au total avant le générateur. Ces valeurs sont celles du modèle au point de design, à confronter à une étude d'ouvrage.

5 : Les quatre organes : bâche, distributeur, roue, aspirateur

La roue, ou hélice de turbine, est la partie tournante qui convertit l'énergie de l'eau en énergie mécanique. En conduite, elle travaille sous pression : ses pales larges doivent « boucher » le passage pour que la chute de pression s'y établisse. Heliciel la calcule par la théorie de l'élément de pale en mode conduite forcée, où la veine est imposée par le manteau et les pertes de bout de pale neutralisées par le jeu réduit.

Le distributeur est une couronne d'ailettes profilées et orientables, les directrices, qui dirigent l'eau et contrôlent sa mise en rotation, la composante tangentielle de sa vitesse, selon leur ouverture. Il sert aussi de vanne de régulation du débit. Sur les turbines bulbes, la couronne de directrices assure seule la mise en rotation ; sur les Kaplan, le distributeur est placé au centre d'une volute qui a déjà donné au courant sa trajectoire tangentielle, et les directrices complètent son travail. La déviation imposée par les ailettes coûte une perte de charge : elle doit rester minimale, et une forte déviation appelle une volute.

Un distributeur de turbine bulbe : la couronne de directrices met seule l'eau en rotation.

Le tourbillon que le distributeur donne à l'eau avant la roue.

Sur une Kaplan, la volute et le distributeur se partagent la mise en rotation.

La bâche spirale enveloppe le distributeur et répartit le débit tout autour de lui, en conservant la vitesse de l'eau d'une section à l'autre. Heliciel la dessine en huit sections et en calcule la vitesse admissible selon son matériau.

L'aspirateur, ou diffuseur, est un cône divergent placé derrière la roue. Il ralentit l'eau jusqu'au bassin aval et transforme ainsi la vitesse résiduelle en dépression à la sortie de la roue : la roue voit une chute plus grande que sa seule hauteur au-dessus de l'aval. Ce système de récupération est détaillé dans la troisième partie du didacticiel, consacrée à l'aspirateur.

L'aspirateur : un cône qui ralentit l'eau et abaisse la pression derrière la roue.

La coupe de face, cotée : les particules tournent dans la bâche, plongent dans la roue et ralentissent dans l'aspirateur coudé, sous le niveau aval ; les cotes de la roue, du bulbe, de H2 et de la chute brute sont reportées.

Gros plan sur le distributeur : le cercle de vannage, les directrices et les particules d'eau, bleues dans la bâche, vertes et jaunes en accélérant vers la roue.

L'aspirateur coudé, à sortie rectangulaire, vu depuis l'aval : les trajectoires ralentissent et s'étalent jusqu'à la rivière.

Après cette présentation des organes, voyons comment les dimensionner et évaluer les performances du site : la relation entre le distributeur et l'hélice. Pour aller plus loin, nous pouvons aussi ouvrir directement le mode d'emploi de Hydro Turbine design.