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Les Turbines - La turbine Pelton


La turbine PELTON
 
 C’est à l’Ingénieur des Mines américain Lester Allen PELTON que l’on doit l’amélioration décisive de l’antique roue à impulsion, à augets en forme de cuillère. Dans les années 1870, Pelton constate une efficacité accrue avec un jet d’eau qui frappe la cuillère sur une arête, au lieu du fond. En 1878, il met au point un auget à double cuillère, le jet d’eau arrive sur l’arête entre les deux cuillères, se sépare en deux et, se renversant de 180°, transmet une quantité d’énergie beaucoup plus grande.
Deux améliorations importantes viendront s’ajouter pour parvenir à la configuration définitive : le distributeur, ou injecteur, et le déflecteur.


roue_pelton.jpg   le_deflecteur.jpg
la roue Pelton        schéma d'un injecteur

 

L’injecteur comporte une buse et un pointeau, il a pour rôle d’ajuster le débit du jet d’eau en fonction de la puissance que doit fournir la turbine. L’eau s’écoule par l’espace annulaire entre buse et pointeau sous forme d’un jet parfaitement cylindrique, quel que soit son diamètre. C’est un vérin  hydraulique (cela pouvait être une commande manuelle dans les plus anciennes installations) qui assure le déplacement du pointeau, la manœuvre doit être relativement lente afin d’éviter les coups de béliers dans la conduite forcée, ce qui pourrait entraîner de graves dommages. C’est ici qu’intervient le déflecteur, en effet en cas de perte de charge brutale il est nécessaire de pouvoir stopper rapidement l’impact du (des) jet (s) d’eau sur les augets de la turbine pour éviter son emballement. Le déflecteur, qui peut-être manœuvré rapidement, vient "mordre" le jet et le dévier de sa trajectoire normale.
Pour utiliser des débits importants une turbine Pelton peut recevoir jusqu’à six injecteurs, à partir de trois injecteurs on adopte une disposition à axe vertical, cela compense une légère perte de rendement. Le meilleur rendement est obtenu avec un seul jet par roue, en montant éventuellement plusieurs roues sur le même arbre, dans cette configuration l’axe est horizontal, mais ce n’est pas très économique en terme d’investissement. Une disposition intéressante consiste à monter, sur le même arbre horizontal un alternateur entre deux roues Pelton.



turb-Pelton.jpg Pelton-3jets.jpg


 
La turbine Pelton présente un rendement supérieur à  80% pour des débits d’eau compris entre 25% et 100% .Son domaine d’utilisation ce sont les faibles débits (Q<10m3/s) et les hautes chutes jusqu’à une hauteur… illimitée, si ce n’est par la résistance des matériels, certaines installations dépassent les 1000m de hauteur de chute, le record est de 1883 mètres (centrale de Bieudron, en Suisse).


ci-contre:
Pelton de forte puissance, en travaux de maintenance, remarquez les cinq injecteurs
5injecteurs.jpg

 
La turbine Pelton est dite à impulsion ou à action, c’est par l’énergie cinétique du jet d’eau sur les augets que la roue est mise en rotation.
Cette énergie cinétique se forme dans la chute d’eau par la transformation de l’énergie potentielle, l’injecteur à pour but de donner à l’eau sa vitesse maximum, donc son énergie cinétique maximum.
La vitesse de l'eau en sortie de l’injecteur est donnée par la formule : vitess-eau.jpgelle ne dépend que de la hauteur de chute.
exemple: pour une hauteur de chute de 600m, l'eau sort à une vitesse de 108,5 m/s soit : 390 kmh

La vitesse de rotation de la roue (1) est approximativement égale à la moitié de la vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur, soit : vitess-roue.jpg

Dans cette situation, l'énergie cinétique de l'eau est entièrement transmise à la roue, la vitesse de l'eau devenant quasiment nulle en quittant les augets. On peut en déduire que la vitesse de rotation de la turbine Pelton est importante, jusqu'à 1500 tours par minute pour les plus petites.

La turbine Pelton ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique.

Les turbines Pelton couvrent une large gamme de puissances, les roues ont un diamètre compris entre 0,6m et 5m pour les plus grandes : 400 MW de puissance unitaire pour la centrale de Bieudron (Grande Dixence / Suisse).
 
(1) il s’agit de la vitesse circonférentielle de la roue, cette circonférence, qui est tangente à l’axe du jet, conditionne le nombre d’augets, elle est calculée de telle sorte que la vitesse angulaire soit conforme aux caractéristiques de l’alternateur.
               


Montpezat-1956.jpg

ci-dessus: alternateur de 60 MW monté entre deux turbines Pelton, à deux injecteurs, on remarque, sur la droite au dessus du capot de la turbine, la conduite d'alimentation de l'injecteur supérieur surmontée par le vérin du pointeau, au premier plan, à droite, l'alternateur pilote en bout d'arbre de la turbine.

 

Date de création : 25/08/2008 . 19:27
Dernière modification : 15/09/2012 . 21:39
Catégorie : Les Turbines
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Réactions à cet article


Réaction n°2 

par segura le 06/04/2013 . 22:26

Il existe des injecteurs supplémentaires pilotés dans certains dispositifs à turbines Pelton, lorsqu'il est nécessaire de réguler finement le débit, par exemple pour obtenir une vitesse précise dans la veine d' essai d' une soufflerie aérodynamique.
Ex: La soufflerie S1MA de l' ONERA S1Ma "brasse" 10 000 m3 (10 t) d' air par seconde grâce à 2 turbines Pelton à 2+1 injecteurs et une chute d' environ 800 m. La puissance installée est de 88MW pour des vitesses sur arbre de l' ordre de 200 t/min. Ceci permet d' atteindre en veine des vitesses transsoniques sur des maquettes d' aéronefs de grande taille (envergures 3 à 4 m). Les turbines font plus de 5 m de diamètre et les corps de vannes qui supportent le poids de la colonne d' eau de la conduite forcée font plus de 25 t. la consommation d' eau est évidement à l' avenant avec 10 m3 par seconde sous 80 bar !

Réaction n°1 

par pascalboyer le 08/12/2010 . 10:20

Bravo pour la présentation et la simplicité de cette présentation !

Exposer les formules de calcul c'est donner aux visiteurs le moyen de mieux comprendre le principe et donc de réfléchir sur d'autres applications éventuelles.

Une question : Y a t il une déperdition dans la conduite qui transporte l'eau du barrage à la turbine ou est-elle négligeable ?

Bien cordialement,

Pascal



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