Turbine Francis

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Coupe d'une turbine Francis. Dans la volute en forme de spirale, l'eau pénètre radialement dans la turbine et en sort axialement au centre vers le bas.

Une turbine Francis est une turbine hydraulique de type « à réaction ». Elle est adaptée pour des hauteurs de chute moyennes (de 30 mètres à 300 mètres), pour des puissances et débits moyens ou forts (barrage d'Itaipu) : de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts avec des débits de 10 m3/s à 700 m3/s[Note 1].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Une turbine de Francis est une turbine dans laquelle le fluide rentre sous une grande pression et transmet son énergie aux pales solidaires du rotor. Une partie de l'énergie est transmise par le fluide sur les pales en raison du changement de pression tandis que le reste de l'énergie est extraite par la spirale qui entoure la turbine. À la sortie, le fluide a une vitesse faible et peu d'énergie. La forme du tube de sortie est conçue pour décélérer le fluide, et le faire remonter en pression[1]

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Turbine Francis au barrage des Trois-Gorges, en Chine, construite par Voith

Les caractéristiques habituelles des turbines Francis sont les suivantes[2] :

  • Diamètre de la roue : de quelques décimètres à 10 mètres.
  • nombre d'aubes : 11 à 17[Note 2].
  • Vitesse de rotation : de 70 à 3 000 tr/min.
  • Rendement énergétique : de 80 % à 95 %[3].

La plus forte puissance atteinte par une turbine Francis est de 800 MW. Elle est fabriquée par Alstom.

D'un diamètre de 10 mètres, et pesant chacune 450 tonnes, elles équipent le barrage des Trois-Gorges, sur le fleuve Yangzi Jiang, en Chine[4], et plus récemment le barrage de Xiang Jia Ba (en), sur le même fleuve[5].

Historique[modifier | modifier le code]

Ce système, a été proposé par le français Jean-Victor Poncelet à la fin des années 1820. En 1826, l'inventeur et industriel français, Benoit Fourneyron améliora le système en augmentant le rendement (80%), par la modification de la circulation de l'eau, en la dirigeant radialement à travers la roue.

Aux États-Unis, en 1838, ce système fut breveté par le nord-américain Samuel B. Howd, puis popularisé par l’anglo-américain James Bicheno Francis, dont elle porte le nom. Il installa ses premières turbines, en 1848, à l'usine hydroélectrique Pawtucket Gatehouse (en), à Lowell, Massachusetts. Dans les années 1860, cette turbine commença à supplanter la roue hydraulique.

En 1918, la papeterie de Chappes, fut équipée d'une turbine Francis de type « Singrün » qui fonctionna jusqu'en 2004. La même année, ce type de turbine fut utilisée sur la centrale des Vernes à Livet-et-Gavet. Cette centrale est aujourd'hui classée monument historique.

Au Canada, " C'est la turbine la plus utilisée dans le parc de production d'Hydro-Québec "[6].

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La plus puissante de France se trouve à la centrale du Pouget : turbine Francis de 286 MW accouplée à un alternateur de 275 MVA, sous 444 mètres de chute[7].

Le contrôle de flux[modifier | modifier le code]

Le contrôle de flux, se commande au niveau du distributeur, par l'orientation des ailettes de guide, ou directrices (guide vanes), par rapport aux ailettes fixes ou aubes (stay vanes), sur la roue (runner). Ce sont des éléments essentiels de la turbine, qui permettent de transférer convenablement, l'énergie du flux à la roue, tout en évitant l'apparition du phénomène destructeur, de la cavitation[8].

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Le phénomène de cavitation[modifier | modifier le code]

Une érosion prématurée peut se rencontrer dans l'utilisation d'une turbine, provoquée par la cavitation sur l'aubage, au niveau du bord d'attaque des aubes[9]. Cela peut conduire à l'arrêt prématuré de la turbine concernée, pour pouvoir effectuer de lourds travaux de maintenance et de réparations, et aussi des conséquences économiques importantes (arrêt de production, frais de maintenance sur site, ou de réparation lourde en atelier etc..). La cavitation s'accompagne également d'une chute du rendement de la turbine, ou de la hauteur absorbée, d'une génération de vibrations de la structure mécanique, accompagnées d'un bruit intense.

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La maintenance hydraulique[modifier | modifier le code]

Les équipements hydrauliques, appartenant à EDF ou à ses filiales, se rencontrent dans 447 centrales hydroélectriques. On y trouve en particulier, les turbines Francis et leurs composants (rotors, aubes, vannes, robinets, paliers, etc). Tous les éléments touchant à l'équipement hydraulique, sont entretenus et maintenus par une unité interne, le Service de Réparation Hydraulique[10], qui effectue des opérations de rechargement métallique par soudage, de meulage pour remise au profil, soit en atelier ou sur site, ainsi que des travaux d'usinage.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Cf le document en référence, issu du Service de Réparation Hydraulique d'EDF, en page 4 : les turbines prises en charge par le SRH
  2. Une aube comporte deux faces: l'extrados et l'intrados, 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 de l'aube s'appelle le bord d'attaque

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) World News (WN) Network, « Francis turbine », sur wn.com,‎ (consulté le 19 septembre 2015).
  2. [PDF] « De quoi est faite une turbine Francis? », sur www.angelfire.com (consulté le 28 septembre 2015).
  3. [PDF] Gino Blommaert - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, « Thèse de doctorat : Etude du comportement dynamique des turbines Francis : contrôle actif de leur stabilité de fonctionnement », sur infoscience.epfl.ch,‎ 2000 (consulté le 27 septembre 2015).
  4. Alstom, « Turbines hydroélectriques Francis », sur www.alstom.com (consulté le 27 septembre 2015).
  5. [PDF](en) Alstom, « Xiang Jia Ba, Francis Hydro Power Plant », sur www.alstom.com (consulté le 27 septembre 2015).
  6. Hydro-Québec, « Turbine Francis », sur www.hydroquebec.com,‎ (consulté le 22 septembre 2015).
  7. Tpebarrages, « Les turbines à réaction : la turbine Francis », sur tpebarrages.jimdo.com (consulté le 22 septembre 2015).
  8. (en) R. Dadfar, B. Firoozabadi, G. Ahmadi - Sharif University of Technology (en), « Effect of Different Configurations on 3-D Analysis of Flow Through Stay Vanes and Guide Vanes of a Francis Turbine », sur www.sid.ir,‎ (consulté le 26 septembre 2015).
  9. (en) Paul Bourdon - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, « Détection vibratoire de l'érosion de cavitation des turbines Francis : Thèse de doctorat », sur infoscience.epfl.ch,‎ année 2000 (consulté le 15 décembre 2015).
  10. [PDF] EDF - SRH, « Le service de réparation hydraulique (SRH) d'EDF », sur energie.edf.com,‎ (consulté le 19 septembre 2015).