Description des principales composantes d'un groupe turbine-alternateur
Roue
de turbine Francis
La roue transforme l'énergie hydraulique en en énergie mécanique. Une roue de turbine
Francis est composeé d'un plafond
qui est sa partie supérieure en forme de disque, d'une ceinture
qui est la partie inférieure cylindrique et de 11 à 17 aubes.
Elle est attachée
à un arbre qui la relie à l'alternateur. Sa vitesse de rotation est constante et la vitesse périphérique mesurée à la sortie de la roue est d'environ 40 m/s
Face
extrados d'une aube de turbine Francis
Une aube comporte deux faces: l'extrados et l'intrados exactement comme
une aile d'avion. Une aube comporte deux faces: l'extrados et l'intrados exactement comme une aile d'avion. L'eau coulant plus vite près de l'extrados, il en résulte une dépression qui génère le couple moteur. L'arète de sortie d'une aube s'appelle le bord de fuite alors que l'arète d'entrée est le bord d'attaque.
La
ceinture d'une turbine Francis
La ceinture est une partie axisymétrique sur laquelle se fixe l'extrémité inférieure des aubes. La ceinture a un rôle mécanique: elle retient les aubes qui sont soumises à ces efforts centrifuges et de pression. On appelle labyrinthe inférieur l'espace le plus faible entre la ceinture et le flasque inférieur, il a pour rôle de réduire les fuites de contournement qui ne sont pas productive d'énergie.
Le plafond récupère les efforts mécaniques appliqués à chaque aube et les transmet à l'arbre de la turbine. Il a une forme axisymétrique assez complexe. Il est le siège du labyrinthe supérieur qui est un espace très étroit entre le plafond et les pièces fixes, son rôle est de limiter les fuites et d'éviter une trop grande pression sur la partie supérieur du plafond.
La
pointe de roue
La pointe de roue sert à guider les écoulements qui quittent les aubes. Elle joue un rôle dans la stabilité du fonctionnement de la turbine probablement en fournissant un point d'ancrage à la torche. On y retrouve souvent des trous d'équilibrage qui servent à évacuer les fuites du labyrinthe supérieur.
L'ouverture
entre les aubes
L'ouverture entre les aubes joue un rôle capital sur la performance d'une turbine. Cet espace est déterminé lors de la conception de la turbine de façon à ce que la déviation de l'écoulement produise la puissance souhaitée.
Arbre
L'arbre transmet l'énergie mécanique de la roue de la turbine au rotor de l'alternateur.
Avant-directrices
Les avant-directrices ont un rôle à la fois structural et hydraulique. L'eau doit s'échapper de la bâche spirale par l'espace entre les avant-directrices. La faiblesse créée par ce trou dans le réservoir sous pression qu'est en fait la bâche-spirale, doit être compensée par l'épaisseur des avant-directrices. La forme des avant-directrices doit faire en sorte de ne pas nuire à l'écoulement pour que les pertes soient aussi petites que possible.
Directrices
Les directrices ont un rôle de régulation. Ce sont les directrices qui contrôlent le débit de l'eau dans la turbine. L'aube directrice est reliée au mécanisme de vannage qui permet de la faire pivoter dans l'axe de son tourillon en même temps que ses voisines et ainsi de faire varier l'espace entre elles. Ce faisant, l'effet est immédiat sur le débit. Un système de régulation asservit la vitesse de rotation à l'ouverture des directrices. Lorsqu'une demande d'électricité supplémentaire se fait sentir l'alternateur freine la turbine. Dès qu'une variation de vitesse est détectée, le régulateur de vitesse commande le mécanisme de vannage pour la contrer, la consigne étant de maintenir la vitesse de rotation constante pour produire la fréquence synchrone soit 60 Hz.
Bâche
spirale
La bâche spirale reçoit l'eau de la conduite forcée et la redistribue dans les passages entre les avants-directrices. La bâche est en fait un réservoir sous pression soumis à la pression de l'eau à l'amont du barrage. La distribution de l'eau à chacun des passages se fait par la diminution de la loi de section au fur et à mesure que l'écoulement progresse. Il en résulte une forme de colimaçon. La bâche spirale est faite d'un assemblage de tôles d'acier soudées.
Bâche
fronto-spirale
La bâche fronto-spirale se distingue de la bâche spirale par sa forme. Ses sections sont trapézoïdales ce que permet l'utilisation du béton. En effet, pour les turbines de basse chute le recours à l'acier pour fabriquer la coque n'est pas nécessaire.
Cône de l'aspirateur
Situé immédiatement sous la roue, le cône de l'aspirateur amorce la divergence nécessaire pour diminuer la vitesse de l'eau avant de prendre le virage. C'est une composante très importante du point de vue de la performance de la turbine. Une grande partie de l'énergie cinétique à la sortie de la roue y est récupérée. Malgré cela à cause des vitesses importantes immédiatement à la sortie de la roue il est le siège de la plus grande partie des pertes.
Coude de l'aspirateur
Le coude de l'aspirateur a le rôle ingrat de faire tourner l'écoulement pour qu'il puisse reprendre la direction de la rivière. Il est dans la plupart des cas convergent et applati parce qu'un écoulement est mieux guidé lorsqu'il converge. On évite ainsi que l'écoulement décolle des parois et dégénère en tourbillon consommateur d'énergie.
Trompette de
l'aspirateur
La trompette de l'aspirateur permet de continuer la décélération de l'écoulement jusqu'à la rivière. Typiquement la vitesse de l'eau à la sortie de l'aspirateur et donc de la trompette est de 3 à 5 fois inférieure à la vitesse à la sortie de la roue. Pour des raisons structurales, souvent la trompette comporte des piles. On y trouve aussi des rainures dans lesquelles peuvent glisser des vannes rectangulaires qui assurent l'étanchéité lorsqu'on veut dénoyer la turbine.
Mécanisme de vannage
Le mécanisme de vannage est un assemblage de plusieurs composantes mécaniques dont le rôle est de manoeuvrer les directrices qui contrôle la puissance produite par la turbine.
