Turbine Pelton - Définition
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Introduction
Une turbine Pelton est un type de turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été inventée en 1879 par Lester Allan Pelton, en Californie.
Principe
Cette turbine est du type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau venant d’une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l’action d’un jet d’eau sur les augets de la roue.
Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites « hautes chutes », > à 400 m avec un faible débit d’eau (< 15 m³/s).
La vitesse d’eau en sortie de l’injecteur répond à la formule :
La vitesse de rotation Vr de la roue doit être égale à la moitié de la vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur, de manière à optimiser le rendement :
-
De cette manière, l'énergie cinétique de l'eau est entièrement transmise à la roue, la vitesse de l'eau devenant quasiment nulle au creux des augets.
Supposons que tous les vecteurs de vitesse sont parallèles. La vitesse initiale du jet d'eau relativement à la roue est égale à
Supposons que la vitesse du jet est supérieure à la vitesse de la roue. D'après la conservation de masse, la masse d'eau entrant dans l'auget est égale à la masse en sortant. Suppossons également que le fluide est incompressible, et que la section du jet est constante. Ceci implique que la vitesse du jet reste constante relativement à la roue. Le jet sortant de la roue a donc une vitesse (relativement à la roue) de :
-
Dans le standard de référence (relatvement à la Terre), la vitesse finale du jet est :
La vitesse optimale de la roue est obtenue lorsque toute l'énergie cinétique du jet est transférée, c'est-à-dire lorsque
Cette conception permet un rendement exceptionnel de l'ordre de 90%. Le rendement théorique en fonction de la vitesse peut s'écrire :
D'après les seconde et troisième lois de Newton, la force F générée par le jet sur la roue est égale et opposée à l'impulsion ou à la variation de quantité de mouvement du fluide :
![F = -(m)( V_f - V_i ) = -(\rho Q)[(-V_i + 2V_r)-V_i ] = -(\rho Q)[(-2V_i + 2V_r)] = 2\rho Q(V_i - V_r)~](https://static.techno-science.net/illustrationWebp/Definitions/autres/3/326c4894493002a3fda6e9e4b08db85a_7caf7e4b6b55f0c231c149b8e323efdf.png)
avec (ρ) la densité de l'eau et (Q) le débit volumique. Si (D) est le diamètre de la roue, le couple s'écrit :
Le couple est maximum quand la roue est stoppée (Vr = 0, T = ρQDVi). Quand la roue est égale à la vitesse du jet, le couple est nul (Vr = Vi).
La puissance P s'écrit :
Le rendement est le rapport entre la puissance mécanique P et la puissance du jet :
La puissance d'une turbine Pelton est de l'ordre de 60 MW. Certaines atteignent 300 à 400 MW (Centrale de Grande Dixence en Suisse).
Cette turbine se caractérise par l’absence de poussée axiale, simplifiant ainsi la conception et l’entretien des lignes d’arbres des turbines.
