De la roue à aubes à la turbine …
La roue à aubes est un système rustique qui permet de transformer l’énergie hydraulique d’un cours d’eau en énergie mécanique.
Elle fonctionne grâce à un fort débit et à une faible chute d’eau, elle est donc facile à mettre en place sur la création d’une retenue d’eau. C’est une roue de construction particulière, munie de pales.
Apparues durant l’Antiquité dans les pays du pourtour méditerranéens, les roues à aubes ont aussi la particularité unique d’être la seule force motrice à avoir été utilisée à la fois dans les temps anciens, lors de la révolution industrielle, et encore quelques fois de nos jours.
L’utilisation de l’énergie humaine (ou animale) disparaît avec l’invention en 1685, par le physicien français Denis Papin, la roue à aubes est actionnée par vapeur sous pression dans des chaudières alimentées au bois ou au charbon. Dès le XIXe siècle, des industries utilisent les roues à aubes pour actionner les machines : papeteries, filatures de soie et de laine, moulin à huile et farine, scieries et même pour fabriquer des boulets de canon, etc.
Les premières exploitations mécaniques de la roue à aubes fut la création de moulins » au fil de l’eau « . Leurs applications furent diverses, du moulin à grain jusqu’aux industries mécaniques. Une autre extension fut la noria, combinaison de réceptacles et de pales, qui permet d’irriguer largement les abords des fleuves. En Syrie, les grandes norias de Hama peuvent mesurer jusqu’à 21 mètres de diamètre.
D’autres roues avaient un usage non industriel, à la différence des roues industrielles, ces dernières ne servaient pas à produire de la force motrice mais à récupérer de l’eau. Munie de godets, la roue venait puiser l’eau au fond de la rivière avant de l’élever et de la déverser dans des conques qui alimentaient les couvents. L’eau ainsi récupérée servait pour l’usage domestique et pour arroser les jardins. Certains riches propriétaires possédaient également leur propre roue pour alimenter leur jardin.
A noter que l’application inverse de la roue à aubes fut l’invention du bateau à vapeur, transmettant le mouvement (bielle-manivelle) d’une machine à vapeur chauffée au bois (puis au charbon) à des grandes roues à aubes, soit une de chaque côté, soit une sur l’arrière. La faiblesse du rendement, l’encombrement et la prise au vent, alliés à une fragilité importante (surtout pour les navires militaires) les fit abandonner au profit des hélices.
Les roues sont utilisées pour les cours d’eau disposant de ce qui est qualifié de « Basses Chutes », dont la hauteur est inférieure à 15 mètres. Dans la majorité des installations actuelles, cette hauteur de chute n’excède d’ailleurs pas 5 mètres de hauteur.
Pour qu’une roue soit performante, il faut que l’eau pénètre sans choc et qu’elle ait perdu au cours de sa traversée toute sa vitesse initiale.
On distingue principalement trois types de roues équipées d’aubes ou d’augets :
– Les Roues « en dessous »
Son alimentation d’eau est par le bas et nécessitent un débit jusqu’à 3 m3/s, et une hauteur de chute inférieure à 1,5 mètres. Le courant d’eau passe sous la roue. Celle-ci tire sa force de la pression de l’eau sur des aubes. Le rendement de ce type de roue ne dépasse pas 20%. Son coursier, la partie creusée du sol dans laquelle passe la roue, doit être parfait pour éviter toute perte de pression, ce qui nécessite un entretien régulier. Une amélioration a été apporté par le mathématicien Poncelet en utilisant des aubes arrondies, qui permettent une meilleure récupération de la force hydraulique, grâce à une diminution des turbulences. Le rendement peut ainsi atteindre 80%.
– Les Roues « en dessus »
L’ alimentation en eau , ruisseau ou de dérivation, en amont de la rivière, s’effectue par le haut de la roue (quart supérieur de la roue). C’est le type le plus performant, qui accepte un faible débit d’eau. L’eau remplit des augets, c’est son poids qui crée le mouvement ; pour une question de rendement, la roue ne doit pas baigner dans l’eau d’écoulement à sa base si elle tourne dans le sens contraire du courant. Ces roues, qui sont apparues après les roue « en dessous », peuvent être installées sur des chutes d’eau supérieures à 4 mètre. Elles nécessitent un débit jusqu’à 1m3/s, et des hauteurs de chute de 2 mètres jusqu’à plus de 12 mètres.
– Les Roues » de poitrine « ou » d’à coté «
Avec une alimentation d’eau par le milieu (entre ¼ et ¾ de la hauteur de la roue) : elles nécessitent un débit jusqu’à 3 m3/s, et une hauteur de chute inférieur à 4 mètres.il s’agit d’une variante des roues « en dessus » : l’eau est dirigée dans des augets par le côté. Elles conviennent au moyennes retenues d’eau (entre 2.5 et 5 mètres). Leur rendement est supérieur à celui des roues « en dessous » moyennant un entretien soigné du coursier
Un autre type de roue se rencontre: La roue pendante
Lorsque le moulin est construit sur un pont, ou même sur pilotis, cette roue est forcément située au-dessous de l’édifice. On dit alors que le moulin est à roue pendante. On devait la hausser ou la descendre au moment des crues et des périodes de sécheresse, afin qu’elle reste en contact avec l’eau. La roue pendante est une roue à aubes qui peut être montée ou descendue grâce à un système de relevage avec vis et vérins. À l’intérieur du moulin, les vis et vérins en bois sont sur le plancher, sorte de plate-forme à laquelle est suspendue la roue motrice et qui supporte l’ensemble du mécanisme et les meules.
Autre principe de roue pendante (roue suspendue, volante, flottante ou oscillante) que l’on trouvait sur la Loue : le moulin Pouguet à Ornans, le moulin de Vuillafans et le moulin Lambert à Chenecey-Buillon dont les roues étaient suspendues à l’intérieur d’un châssis qui fait saillie au-dessus de la rivière. Ces roues étaient fixées à des poutres métalliques pouvant pivoter à une extrémité et s’élever au gré de la hauteur d’eau de la Loue grâce à un système de chaînes enroulées sur un treuil.
Moulin des Taillades (Isle sur la Sorgue) – Bel exemple de roue « en dessous »
Initialement simples et de construction très facile, elles ont évolué au fil du temps, avec les progrès pour devenir les turbines d’aujourd’hui.
Il fallait qu’il y eût une suite à l’histoire des roues de moulins…
De la roue à aubes à la turbine
Les constructeurs et exploitants se rendaient compte vers le milieu du XIXe siècle des avantages et des inconvénients des roues classiques verticales ; un ingénieur français réputé pour ses connaissances dans ce domaine, Armengaud , écrivait vers cette époque dans son Traité des moteurs hydrauliques : » Elles ont l’avantage (les roues verticales) d’exiger peu de frais d’entretien, d’être faciles à réparer et de ne pas être bien susceptibles de se déranger. Il suffit souvent, en effet, de remplacer quelques aubes, de resserrer quelques boulons, et elles marchent ainsi des années entières sans aucune réparation « . En retour ces installations étaient encombrantes les roues n’étaient animées que d’une vitesse relativement faible et se trouvaient bloquées par le gel au cœur de l’hiver. Même les roues à augets, en dessus ou de côté, dont les limites d’utilisation étaient plus étendues et le rendement plus élevé, présentaient des inconvénients du même ordre qu’il n’était pas possible d’éliminer.
Ce fut chose faite avec les travaux de Léonard Euler (1707-1783) et de Daniel Bernoulli (1700-1782) qui posèrent les bases de l’hydrodynamique et les lois de l’écoulement des fluides.
Les roues hydrauliques ont cependant continué d’évoluer parallèlement à cela, jusqu’à la fin du XIXe siècle : roue à aubes courbes de Poncelet (1788-1867), roue de Sagebien (1807-1892). Les ingénieurs hydrauliciens français travaillèrent à leur donner des rendements étonnants, Sagebien atteindra les 90%. Des hommes de talent contribuèrent à faire la transition des roues aux turbines ; Poncelet, Fourneyron, Girard, Morin, Callon, Koechlin, Jonval, etc..
Mais il fallut encore attendre le XIXe siècle. En 1820, un français, Claude Burdin (1788 – 1873), professeur à l’école des Mines de Saint-Étienne, s’intéresse à la roue hydraulique à réaction et sur le principe des turbomachines à grande vitesse. S’appuyant sur les travaux du mathématicien suisse Leonhard Euler sur ce type de roue horizontale (à axe vertical), il est convaincu qu’il faut guider l’écoulement de l’eau et le repartir sur l’ensemble de la roue. Il reprend le principe du distributeur d’eau fixe initié par Euler. Plaçant ce distributeur au milieu de la roue, contrairement à Euler qui l’avait positionné au dessus, Claude Burdin expérimente son type de roue dans le Puy-de Dôme sur plusieurs moulins. En 1824, afin d’obtenir un prix technique, il écrit un mémoire sur ces recherches. Mais il n’obtient qu’une médaille au lieu du premier prix. Dans ce mémoire, il baptiste aussi ce nouveau système par le terme « turbine » (du latin turbis – ce qui tourne en rond).
En 1826, un élève de Claude Burdin, en la personne de Benoît Fourneyron (1802 – 1867), s’occupe à son tour du développement industriel de la turbine horizontale de Burdin. Intéressé lui aussi par un prix de la Société d’Encouragement à l’Industrie Nationale remporte le prix de la Société d’Encouragement pour l’Industrie Nationale pour le meilleur dessin d’une roue hydraulique industrielle. Fourneyron s’emploie à créer une turbine adaptée à une production industrielle. On lui doit la mise au point et première réalisation industrielle d’une turbine hydraulique. Sa machine, appelée turbine (mot inventé par son concurrent Charles Bourdin, du latin turbo), était faite de deux roues horizontales concentriques: une roue intérieure fixe et munie d’aubes directrices incurvées dirigeant l’eau contre les aubes de la roue extérieure mobile (rotor). On annonçait un rendement d’au moins 80 %! Néanmoins, à certaines vitesses, des turbulences se produisaient lorsque l’eau quittait les aubes directrices.
En 1827, dans une forge de Franche-Comté où il travaille, Benoît Fourneyron installe une turbine de 4,5 kW avec l’excellent rendement de 83%. Tout fonctionne parfaitement, mais le succès industriel se fait attendre. Enfin, en 1832, le jeune ingénieur trouve son premier client, François Caron, industriel possédant un haut-fourneau à Fraisans dans le Jura. Une roue de 2,2 m de diamètre avec une puissance de 37 kW est mise en route avec succès. Le 3 juillet de la même année, Fourneyron dépose un brevet pour son modèle de roue, « la roue à pression universelle et continue ». Il obtient le premier prix de la Société d’Encouragement, deux ans plus tard en 1834.
En parallèle, en 1827, le polytechnicien Jean-Victor Poncelet (1788 – 1867), plus connu pour ces travaux sur la géométrie, rédige le « Mémoire sur les roues hydrauliques à aubes courbes ». Contrairement à Burdin et à Fourneyron, J-V. Poncelet a étudié les roues verticales. En plus d’aubes courbes, Poncelet propose l’emploi d’un déflecteur tangent en amont de la roue, améliorant ainsi l’écoulement et bien entendu le rendement.
En 1830, alors que les français semblent être les plus en avancés sur les roues à eau, aux États-Unis des hommes travaillent eux aussi à l’amélioration du rendement de leur roue de moulins. La révolution industrielle de cette jeune nation va être un formidable « détonateur » pour de multiples inventions et brevets sur le sujet. En 1830, deux roues à réaction sont brevetées : la Parker et la Wing. Les américains appliquent une méthode non scientifique, appelée « taille et essaie ». Typiquement américaine, cette méthode ne repose pas sur des analyses et des études, mais plutôt sur des essais empiriques réalisés par des dizaines de constructeurs. Alors qu’en France et en Allemagne, chaque turbine est dessinée et étudiée, aux États-Unis, elles sont modifiées, rallongées, recoupées jusqu’à l’obtention d’un bon rendement. Cette méthode permettra aux américains de devenir « leaders » dans les turbines en moins d’un quart de siècle.
Rendu célèbre par son prix, Benoît Fourneyron fait installer dès 1835, des turbines sur des sites avec des hauteurs de plus en plus élèves. En 1837, les hauteurs de 108 et 114m sont atteintes à Saint-Blaise en Forêt-Noire à l’est de Fribourg (Allemagne) pour une filature. Cette installation est considérée à l’époque comme un exploit, décuplant ainsi la notoriété de Fourneyron à travers l’Europe.
Malgré l’augmentation du nombre des machines à vapeur mises progressivement en service en France, les besoins en énergie hydraulique ne cessaient de croître. Le nombre et le développement des établissements industriels restaient étroitement dépendants de l’accroissement de l’énergie hydraulique utilisable.
La turbine qui a remplacé la roue à aubes, transforme l’énergie de l’eau en énergie mécanique. Son rendement (de l’ordre de 70%) est nettement supérieur à celui de la roue hydraulique (20%). Une turbine comprend des organes fixes, des organes de réglage et une partie mobile (roue). Les organes fixes et de réglage ont pour rôle essentiel de diriger l’eau sur la roue dans les meilleures conditions possibles; la partie mobile est destinée à produire un couple moteur sur l’arbre en transformant en puissance mécanique la plus grande fraction possible de la puissance disponible.
Les turbines sont classées en deux types de turbines hydrauliques : les turbines à action et à réaction.
Les turbines à action :
Les turbines à action ont pour caractéristique d’avoir une pression d’entrée égale à la pression de sortie.
Elles sont réparties en deux types : Pelton et Banki « Crossflow « . Ce sont les turbines les plus simples à utiliser, mais ce sont également les moins efficaces du fait de leur faible surface de contact avec l’eau. Un jet intense et concentré exerce une force sur les augets, placés à la périphérie de la pièce tournante, ce même jet est transformé en couple et en puissance mécanique sur l’aube de la turbine.
Dans cette catégorie, on retrouve principalement :
a. La turbine Pelton
La turbine Pelton: conçue par l’ingénieur des mines en Californie, Lester A. Pelton, dans les années 1870. Celui-ci avait observé l’accélération, jusqu’à l’éclatement, d’une roue hydraulique à aubes incurvées frappée, accidentellement, par un jet d’eau. Pelton vint à la conclusion qu’on pouvait mieux exploiter la puissance d’un jet en en inversant la direction avec l’aube. Il redessina l’aube en y créant deux poches accolées formant une arête médiane dans l’auge divisant ainsi le jet en deux et le déviant complètement. Ces turbines conviennent particulièrement aux hautes chutes , jusqu’à 1800 mètres et de débit assez faible (~25m3/seconde). Son diamètre varie de 0.6 à 3.5 mètres.
La constitution des bâtis varie suivant la disposition des machines, axe vertical ou horizontal, une ou deux roues, un ou plusieurs injecteurs.
Sa fabrication industrielle commença dans les années 1880
La roue mobile comporte un certain nombre d’augets, en forme de double cuillère avec échancrure médiane. Leur nombre varie avec la hauteur de chute et la vitesse spécifique de rotation. Ces godets sont constitués de manière à laisser l’eau s’échapper sur les côtés.
Le système de distribution est constitué par un injecteur comprenant une buse, une aiguille d’injection et un déflecteur. Ce dernier a pour objet de dévier brusquement le jet de la roue lorsque celle-ci tend à s’emballer, tandis que l’aiguille peut fermer ensuite l’injecteur aussi lentement qu’il est nécessaire. ( Les injecteurs sont des tuyères convergentes munies d’un pointeau transformant l’énergie de pression en énergie cinétique. Ils sont disposés autour de la roue et leur jet, à pression atmosphérique, est dirigé vers le milieu des augets, au « diamètre Pelton »). Le jet d’eau frappe l’arête de l’aube, se partage en deux puis arrive finalement dans les godets. Les jets d’eau sortent de l’injecteur à une vitesse de 500 km à l’heure (140 mètres par seconde), après une chute de 1000 mètres. Une régulation du débit et un réglage du diamètre du jet peuvent être effectués en faisant varier la sortie du pointeau. Une fermeture trop rapide peut en effet provoquer des coups de bélier dans la conduite d’alimentation. Aiguille et déflecteur sont actionnés par des servomoteurs à huile séparés, placés sous la dépendance d’un régulateur automatique. Un déviateur, appelé contre-jet, permet d’arrêter rapidement la roue lorsque l’admission d’eau est coupée (pour éviter que des vibrations n’abîment la fixation des axes de la turbine). La roue mobile tourne à pression atmosphérique, il n’y a plus de variation de pression du fluide dans cette roue. Mais lors de son passage dans la roue, l’eau est déviée de presque 180°, ainsi, elle cède toute son énergie cinétique.
Cette roue ne dispose pas de diffuseur car l’eau à la sortie de la roue ne possède plus d’énergie. il y a juste un boîtier qui permet de récupérer l’eau et de la canaliser vers le bief aval.
b – La turbine Banki-Mitchell (Crossflow)
Imaginée par l’ingénieur australien A. G. M. Michell, qui obtint un brevet en 1903. Ensuite la turbine fut indépendamment de cette invention réinventée en Allemagne par le professeur hongrois Donat Banki en 1917.
Un des grands avantages de ce type de turbine est sa simplicité, car il n’y a au maximum que trois pièces en mouvement : le rotor (sans poussée axiale), les deux (ou un seul) volets de réglage du débit. Le rotor comporte une trentaine d’aubes incurvées, fixes et parallèles à l’axe de rotation, disposées sous la forme d’une « cage d’écureuil ».
La relative simplicité de ce type de turbine à flux transversal (l’eau s’écoule au travers des pales de la turbine), est adaptée aux basses vitesses réside dans l’écoulement bidirectionnel de l’eau. L’eau est injectée sur un rotor cylindrique à axe horizontal à travers un convergent rectangulaire ayant un secteur d’admission de maximum 120°. L’eau actionne les ailettes à ta fois à l’entrée et à la sortie de la roue. L’écoulement est doublement dévié au contact des aubes périphériques, qui sont entraînées successivement par un flux radial centripète et radial centrifuge. Cette turbine peut fonctionner sous une large gamme de débits et de hauteurs.
Cette turbine convient pour des débits de 20 à 1000 L/s et des chutes de 1 à 200 mètres. Elle peut se découper en trois parties principales :
un injecteur dont le débit est réglé à l’aide d’une aube rotative. Afin d’assurer un arrêt de la turbine sans énergie d’appoint, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids et l’ouverture par
un vérin hydraulique.une roue en forme de tambours, dotée d’aubes cylindriques profilées.
un bâti enveloppant la roue sur lequel sont fixés les paliers de la turbine.
Cette turbine est souvent divisée en 2 secteurs qui peuvent être mis en fonction séparément ou ensemble pour obtenir un rendement satisfaisant sur toute la plage des débits.
De part sa construction simple, elle est assez répandue dans les pays en voie de développement. La roue est autonettoyante, car le flux d’eau traversant permet de dégager les débris bloqués sur l’aubage à l’entrée de la roue. En revanche, le rendement maximum de ce type de turbine est moyen : entre 70 et 73 %. Du fait de sa vitesse de rotation généralement basse, cette turbine a besoin d’être couplée à un multiplicateur à engrenages ou à courroie. Cette roue semble avoir été dédaignée par les grands constructeurs français , sans doute à cause de son rendement qui est en tous cas inférieur à celui des performantes Francis et autres types.
c- Dans cette catégorie de turbine à action se trouve aussi :
La turbine Turgo est une turbine hydraulique à action conçue pour des hauteurs de chute moyennes. Le rendement énergétique des turbines Turgo atteint 87 %. En laboratoire, il peut avoisiner 90 %. Développée en 1919 par l’entreprise britannique Gilkes comme une modification de la turbine Pelton, la Turgo possède quelques avantages sur la turbine Francis et la turbine Pelton pour certaines applications.
la turbine à roue de pression rotatoire, ou roue hydraulique : par réaction, les lames de la turbine sont partiellement immergées et utilisent la pression hydrostatique. Adaptée aux basses chutes et variables débits. Efficacité 85 %
la turbine à tourbillons, inventée par l’ingénieur britannique James Thomson. Utilisée dans un bassin, elle est dotée d’un canal d’amenée qui conduit l’eau de la rivière dans un bassin de rotation circulaire. Un tourbillon / vortex se forme et le rotor tourne en entraînant un générateur qui va produire l’électricité. Adaptée aux basses chutes à débits variables. Efficacité 83 %.
Les turbines à réaction :
On parle de turbines à réaction lorsque la pression à l’entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l’entrée et la sortie. Ce sont les turbines Francis et Kaplan. Grâce à une conception complexe, elles disposent de bons rendements. Une turbine à réaction est une turbine immergée qui utilise à la fois l’énergie résultante de l’eau (énergie cinétique) et celle provenant de la différence de pression. Elle travaille en trois étapes : On crée d’abord un grand tourbillon à l’entrée, grâce à ses aubes, la roue freine ce tourbillon et en transfère l’énergie à l’alternateur qui en fait de l’électricité. Par la suite, l’eau est retournée à la rivière le plus doucement possible.
La situation d’installation est capitale à cause du phénomène dit de cavitation. En effet, lorsque la hauteur d’aspiration (différence d’altitude entre le niveau d’eau en aval de la turbine et le passage dans la roue) augmente, il se crée une très forte dépression sur les aubes de la roue, qui provoque l’érosion de celle-ci. Aussi est-il nécessaire pour chaque installation de déterminer avec précision la hauteur d’aspiration.
a – La turbine Francis
La turbine Francis, turbine où la roue intérieure est mobile. Ce système proposé par le Français Jean Poncelet fin des années 1820, fut breveté par le Nord-américain Samuel B. Howd en 1838 et popularisé par James B. Francis. Dans les années 1860, cette turbine commença à supplanter la roue hydraulique.
Ce type de turbine à réaction de type radial à axe vertical est le plus répandu et principalement utilisé pour les basses et moyennes chutes (de 5 à 100 m), les débits pouvant atteindre 30 m3/s. Elle peut développer une puissance très importante. Son diamètre varie de 0.6 à 8 mètres. Son efficacité est de 90 à 92 %. Pour les chutes supérieures à 6 m une bâche spirale amène graduellement l’eau au distributeur. On rencontre aussi bien la disposition avec arbre horizontal qu’avec arbre vertical.
Elle est constituée d’une conduite en colimaçon (bâche en spirale) qui conduit l’eau à un distributeur. Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubages) qui guident l’eau vers la roue. La roue de la turbine est placée à l’intérieur des distributeurs. Son distributeur est enroulé autour de la turbine, l’entrée de l’eau se fait par toute sa périphérie. Le rôle du distributeur est double: il sert avant tout à donner aux filets d’eau une direction convenable à l’entrée de la roue, afin d’éviter les chocs, mais également à régler le débit. La roue est composée de 8 à 15 aubes, de surface gauche et de profil type « aile d’avion ». La roue a donc l’aspect d’un cylindre évidé en son centre d’un espace conique. L’eau pénètre les côtés du cylindre par l’intermédiaire d’un distributeur. Celui-ci est constitué d’un ensemble de directrices mobiles parallèles à l’axe de rotation de la roue; elles sont fixées à un disque fixe d’une part, et à un dispositif mobile de commande, appelé « cercle de vannage », d’autre part. La sortie de l’eau se fait de manière axiale dans le diffuseur (qui fait office d’aspirateur).
b – Les turbines Kaplan
En 1910, l’Autrichien Victor Kaplan propose une turbine répondant au rendement médiocre de la turbine Francis dans le cas de faibles charges.
La première turbine Kaplan fut installée, en 1919, dans une usine textile de Velm (Osterreich). Sa puissance était de 25,8 ch pour une hauteur de chute de 2,3 m. Jusque 1926, le développement des turbines Kaplan fut arrêté par un phénomène de cavitation (en raison de la rotation rapide de l’hélice dans l’eau, une zone de basse pression se crée sous la surface d’aspiration de l’aube, ce qui peut amener l’eau à ébullition, puis la corrosion de la surface des aubes à la condensation des bulles de vapeur). En 1926, une société suédoise résout le problème en créant une servo-direction à commande hydraulique pour la rotation des aubes du rotor. Cette même année fut installée, à Lilla Edet (Sverige), une turbine au rotor de 5,8 m de diamètre et dont la puissance atteignait 10 000 ch pour une hauteur de chute de 6,5 m.
Les turbines Kaplan conviennent particulièrement aux faibles hauteurs de chute et forts débits. La turbine Kaplan est une turbine à réaction de type axial à axe vertical dont la majeure particularité est la possibilité de régler l’angle d’inclinaison des pales de manière à adapter le débit qui passe dans la turbine au débit de la rivière.
Ce sont des turbines que l’on retrouve au fil de l’eau et qui donc n’ont pas de réservoir, leur diamètre varie de 1 à 11 mètres.
Les puissances correspondantes peuvent varier de quelques kW à plusieurs centaines de kW.
En général les turbines hélices se retrouvent en grand nombre dans une centrale. Ces turbines se caractérisent par une roue en forme d’hélice dont les pales peuvent être réglables en marche (dans le cas d’une Kaplan). On les classe en fonction du type d’écoulement :
débits constants : une turbine hélice à pales et distributeur fixes.
débits élevés et peu variables : une turbine hélice à pales fixes et un distributeur mobile.
débits variants entre 30 et 100 % du débit nominal : une turbine Kaplan à distributeur fixe.
débits variants entre 15 et 100 % du débit nominal : une turbine Kaplan à distributeur réglable. C’est la plus compliquées car elle possède deux possibilités de régulation qui doivent être accordées ensemble pour détenir les meilleurs résultats.
Une variante de la turbine Kaplan : c’est la turbine à bulbe où le rotor est placé dans une enveloppe fuselée installée horizontalement dans le tunnel de la centrale. La première a été conçue en Allemagne dans les années 1940.
L’usine marémotrice de la Rance (35) compte 24 groupes-bulbes réversibles de 10 MW a été mise en service le 26 novembre 1966.
c– la turbine VLH
C’est la turbine « très basse chute », type de turbine (Kaplan à ouverture variable) apparu dans les années 2000-2005, afin de protéger l’environnement et en particulier la faune piscicole, dans les fleuves ou rivières . Ces turbines sont caractérisées, par un grand diamètre de la roue (de 3 à 5 mètres de diamètre), une inclinaison à 45°, une faible vitesse de rotation (34 tr/min), et une faible vitesse d’écoulement de l’eau.
