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Comment choisir une turbine hydraulique et calculer sa puissance ?
La puissance d'une turbine hydraulique vaut P = η ρ g Q Hn : le débit turbiné multiplié par la chute nette (chute brute moins les pertes de charge de la conduite forcée) et par le rendement de la turbine, de 0,85 à 0,92 pour les grandes machines. Le type se choisit d'après la chute et le débit : Pelton (turbine à action) pour les hautes chutes de 200 à 2 000 m, Francis (à réaction) pour les chutes moyennes de 10 à 700 m, Kaplan ou hélice pour les basses chutes de moins de 30 m à grand débit, Banki pour les petits sites.
Formules de la puissance d'une turbine
- P : puissance restituée à l'arbre, en W (multiplier encore par 0,9 à 0,97 pour la puissance électrique de l'alternateur)
- η (êta) : rendement de la turbine, sans unité : 0,85 à 0,92 pour les grandes turbines, 0,70 à 0,85 en petite hydraulique
- ρ = 1 000 kg/m³ pour l'eau ; g = 9,81 m/s² ; Q : débit turbiné, en m³/s
- Hbrute : dénivelé entre la prise d'eau et la restitution, en m ; ΔHconduite : pertes de charge de la conduite forcée et de ses accessoires, en m
- ns : vitesse spécifique (n en tr/min, P en kW, H en m) : Pelton < 70, Francis 70 à 400, Kaplan 300 à 1 000
Domaines d'emploi et puissances calculées
| Type de turbine | Chutes courantes | Exemple : chute nette | Débit | Puissance hydraulique | Puissance à l'arbre |
|---|---|---|---|---|---|
| Pelton (action) | 200 à 2 000 m | 300 m | 0,1 m³/s | 294 kW | 250 kW |
| Pelton (action) | 200 à 2 000 m | 600 m | 0,5 m³/s | 2 943 kW | 2,5 MW |
| Francis (réaction) | 10 à 700 m | 50 m | 2 m³/s | 981 kW | 834 kW |
| Banki (flux traversant) | 2 à 200 m | 20 m | 0,3 m³/s | 59 kW | 50 kW |
| Kaplan (réaction, pales orientables) | 2 à 30 m | 5 m | 10 m³/s | 490 kW | 417 kW |
| Hélice ou hydrolienne de moulin | 1 à 10 m | 2 m | 0,5 m³/s | 9,8 kW | 8,3 kW |
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
Vous pouvez évaluer l'energie récuperable par une instalation de turbine avec le logiciel MECAFLUX et concevoir une turbine type kaplan, helice ou hydrolienne avec le logiciel Heliciel.
Comparatif de rendements de types de turbines:
a: Hélices b: 
Turbine Francis
c: 
Turbine
Kaplan (helice) d: 
Turbine Pelton
Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres
Débit 4 - 15 m3/s
Ce type de turbine convient particulièrement bien aux applications haute chute à débit variable, son rendement étant peu sensible à sa variation. Les petites turbines Pelton peuvent atteindre un rendement mécanique à l'accouplement de 90%.
Turbine Francis (1868)
Hauteur de chute: 10 - 700 mètres
Débit 4 - 55 m3/s
Comme la turbine Kaplan, la Francis est une machine à réaction. Sa roue est immergée et elle exploite aussi bien la vitesse de l'eau (énergie cinétique) qu'une différence de pression.
Ce type de turbines se rencontre régulièrement dans les vieux aménagements basse chute (moins de 10 m) où elles sont généralement à chambre d'eau, c'est à dire sans bâche spirale. Leurs vitesses de rotation étant très lentes et leur adaptabilité aux variations de débit étant relativement mauvaise, elles ont été remplacées par les petites Kaplan, arrivées sur le marché dans les années 1930-1940.
Actuellement, le domaine d'utilisation des Francis est idéalement situé entre 20 et 100 m. Pour des chutes supérieures à 60 m, elles sont préférées aux Pelton lorsque le débit est important.
Le rendement mécanique des petites Francis issues de développements en laboratoire est de l'ordre de 92%
turbine Kaplan helice (1912)
Hauteur de chute: 0 - 30 mètres
Débit 1 - 350 m3/s
Les turbines axiales regroupent les Kaplan, les bulbes et les hélices(turbines à réaction). La turbine Kaplan est une turbine hélice à pales mobiles. Cela permet un meilleur fonctionnement de la turbine sur une plus grande gamme de débits. De multiples possibilités d'installations existent en fonction de l'aménagement ces machines sont peu sensibles aux variations de débit. Leur niveau de rendement mécanique est de l'ordre de 92 % en petite hydraulique
Pour approfondir la conception de la turbine KAPLAN, de la turbine helice ou de la turbine hydrolienne toutes les infos sont sur le site partenaire de mecaflux concernant l'étude des turbines sur heliciel.com
Turbines hydrauliques sur heliciel.com:
- 1: Description turbine
- 2: Distributeur turbine
- 3: Methode conception
- Didacticiel turbine 1/3
- Didacticiel turbine 2/3
- Didacticiel turbine 3/3
turbine hydrolienne sur heliciel.com:
une turbine originale
turbine Banki(1903)
Evaluer l'energie récuperable par une turbine avec le logiciel MECAFLUX standard:
Une turbine se choisit d'après le débit et la pression disponible, la hauteur de chute avec la gamme de debit pression donnée plus haut. Vous pouvez évaluer simplement les relations entres puissances, pressions ,débit, hauteur de chute, pertes de charges... avec MECAFLUX dans l'onglet pompes et turbines. Les pertes de charges dans les conduites forcées pourront etre calculées et intégrées dans l'evaluation de la puissance délivrable. Les rendements de turbine devront etre entrés d'apres les données du constructeur.
l'onglet pompes et turbines de MECAFLUX
Les performances de rendement d'une turbine sont liées a sa conception, pour concevoir une turbine de type Kaplan, Helice ou hydrolienne utilisez le site partenaire: Heliciel.com:
Pour approfondir la conception de la turbine KAPLAN toutes les infos sont sur le site partenaire de mecaflux concernant l'étude des turbines sur heliciel.com
Turbines hydrauliques
Construire une turbine a helice, Kaplan, hydrolienne, ou éoliennes avec HELICIEL (logiciel calcul HELICE):
La conception des turbines a hélices est enfin a la portée de tous les entrepreneurs grace à ce logiciel de conception d'hélices. Il suffit de connaitre le débit pour evaluer la puissance qui sera fournie a l'arbre d'hélice. Une base de données de performances de profils est intégrée au logiciel et des fonctions d'optimisation permettent de définir les meilleurs vitesses de rotation suivant les formes de pales que vous déssinerez. Bien sur le callage et le vrillage des pales optimum sera calculé et une simulation de variation du pas peut etre effectuée....
Vous trouverez sur le site Heliciel une méthode de conception de mini centrale hydraulique complète permettant la conception et l' estimation des performances et paramètres dimensionnels de la turbine helice ou kaplan , du distributeur et du diffuseur. Cette méthode de conception détaillée est suivie d'un didacticiel complet permettant la modelisation 3D des pales de turbines et du distributeur.Le format igs permet le transfert des fichiers de pales sur une CAO pour compléter l' assemblage avec les autres éléments...
Etude et conception des pales d'un turbine kaplan avec le logiciel Héliciel
Heliciel est un logiciel permettant la création de turbines HELICE , car il permet de dessiner et construire des pales et de calculer le rendement d'une hélice de captage d'énergie hydraulique du style Kaplan,a bulbe, ou des hydroliennes mais aussi des hélices avions bateaux ventilateurs....
La turbine d'un installation hydroelectrique ne sera efficace que si l'énergie hydroelectrique lui parvient correctement. La puissance hydroelectrique à l'entrée de la turbine est dépendante des pertes de charges et vitesses de déplacement dans les organes de l'installation. Nous allons voir dans un exemple, comment l'énergie captée varie, suivant les parametres d' une conduite forcée, pour une même hauteur de chute et débit disponible...
Exemple de calcul d'une installation hydroélectrique de turbine Pelton avec Mecaflux Pro3D:
Une conduite sous pression (conduite forcée) collecte une prise d'eau dans un barrage. Cette prise d'eau gravitaire a un débit en sortie de conduite qui est conditionné par :
- les pertes de charges ,
- le dénivelé entre la prise d'eau et la sortie de conduite,
- et la vitesse en sortie de conduite (pression dynamique).
le débit de fonctionnement en gravitaire est établit lorsque: les pertes de charges + la pression dynamique , sont égales au dénivelé.
Le dénivelé correspond a l'énergie motrice, tant que cette énergie est supérieure aux pertes de charges + pression dynamique en sortie, le fluide accélère, jusqu'a ce que les pertes de charges + pression dynamique en sortie consomment toute cette énergie...
Une turbine Pelton collecte l'énergie de pression dynamique en sortie de conduite. cette pression dynamique doit donc etre maximum. Il faut eviter de consommer l'énergie en pertes de charges, et la transformer en pression dynamique au point de sortie.
Pour des turbines de type Pelton, on met une buse en sortie (cône rétrécissement) qui va accélérer le fluide en sortie de manière a créer de la pression dynamique (énergie de vitesse) juste ou cela est utile (au niveau du jet percutant les augets de la turbine)
Si le réseau crée de la vitesse dans ses conduits alors que cette vitesse doit être produite en sortie....(diamètres trop faible et manque d'un rétrécissement en sortie. ) l'energie va etre consommée en pertes de charges, il faut donc que la vitesse du fluide soit la plus faible possible dans les conduites.
Globalement :
- le débit de fonctionnement en gravitaire est établit lorsque: les pertes de charges + la pression dynamique , sont égales au dénivelé
- la répartition pertes de charge (énergie perdue) <=> pression dynamique (énergie récupérable par les augets de la turbine) est le cœur du problème.
- Pour avoir un bon système il faut un maximum de pression dynamique en sortie pour une minimum de pertes de charge.
Pour connaitre l'énergie disponible en sortie de système, avec Mecaflux Pro3D, après avoir actualisé le débit en cliquant sur "implanter prise d'eau gravitaire", cliquez sur l'élément de sortie (dernier tube) pour le sélectionner (soit dans l'arbre soit dans le schéma 3D) :(astuce pour recentrer sur un élément, double cliquez sur l'élément dans l'arbre) , et dans la zone de résultat (passez les résultats en Watts) vous obtenez une pression dynamique. c'est cette énergie qui devrait être récupérée en grande partie par les augets de la Pelton (rendement de turbine en moins)
Pour illustrer ces remarques, Voici un exemple de 3 configurations d'un captage avec un debit de 190 m3/h et un dénivelé de 625 metres environ, pour une turbine pelton.
Configuration captage turbine pelton 1: Resultat avec une conduite sans buses, la pression dynamique en sortie est de 500 watts pour un debit de 192 m3/h. La turbine Pelton recevra une energie de 500 Watts , les pertes de charges globales sont importantes (300 Kw)
Configuration captage turbine pelton 2: Dans cette configuration (ci dessous) une buse a été simplement ajoutée en sortie de conduite: la pression dynamique en sortie est montée à 97 Kw pour un debit de 96 m3/h. La turbine Pelton recevra une energie de 97 kWatts , les pertes de charges globales sont d'environ (66 Kw) , le debit gravitaire est faible par rapport au debit possible (190 m3/h), il faudrait augmenter le debit..
Configuration captage turbine pelton 3:Dans cette configuration (ci dessous) on a 4 buses en sortie de conduite, le debit est augmenté: la pression dynamique en sortie pour une buse est de 37 Kw, ceci donne 37*4=148 Kw. La turbine Pelton recevra une puissance cinetique de 148 kWatts ,
Ce simple et rapide exemple s'acheve ici, mais, les pertes de charges globales sont encore fortes (253 Kw) pour améliorer le systeme il faut augmenter le diametre de la conduite pour diminuer les pertes de charges. On controlera aussi l'évolution des pressions dans la conduite pour eviter la cavitation...
Liste de fabricants bureau étude , turbine, roue....
Si vous etes fabricant de turbines et désirez apparaitre ici, envoyez un mail a __contact@mecaflux.com___
Questions fréquentes
Comment choisir le type de turbine ?
D'après la chute nette et le débit disponibles. Haute chute et faible débit : Pelton, dont le rendement reste bon à débit variable. Chute moyenne : Francis, la plus répandue, idéale entre 20 et 100 m. Basse chute et grand débit : Kaplan, dont les pales orientables conservent le rendement sur une large plage de débits, ou hélice à pales fixes pour un débit constant. Petits sites à débit irrégulier : Banki, simple et robuste. La vitesse spécifique ns résume ce choix.
Qu'est-ce que la chute nette ?
C'est la chute brute (dénivelé entre le plan d'eau amont et la restitution) diminuée des pertes de charge de la prise d'eau, de la conduite forcée et des vannes. Une conduite trop étroite transforme l'énergie en pertes de charge au lieu de la livrer à la turbine : avec 100 m de chute brute et 8 m de pertes, la chute nette n'est que de 92 m. Il faut garder une vitesse faible dans la conduite et, pour une Pelton, créer la vitesse seulement dans l'injecteur.
Quel rendement attendre d'une turbine hydraulique ?
De 0,85 à 0,92 à l'arbre pour les Pelton, Francis et Kaplan de taille industrielle au point nominal, 0,70 à 0,85 pour les petites turbines et les Banki. Il faut y ajouter le rendement de l'alternateur (0,90 à 0,97) et celui du multiplicateur s'il y en a un. Hors du débit nominal, le rendement chute vite pour une Francis ou une hélice à pales fixes, peu pour une Pelton ou une Kaplan.
Comment évaluer la puissance récupérable sur mon site ?
Mecaflux Standard calcule dans l'onglet pompes et turbines la puissance disponible à partir du débit, de la chute et des pertes de charge de la conduite forcée ; Mecaflux Pro3D modélise la prise d'eau et la conduite en 3D ; Heliciel conçoit les pales d'une turbine Kaplan, hélice ou hydrolienne. Pour un projet de microcentrale ou de moulin, Mecaflux réalise l'étude de votre projet (conduite forcée, choix et puissance de la turbine) et vous remet la note de calcul, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à votre propre site.