Turbine Kaplan

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Une turbine Kaplan du barrage de Bonneville, après 61 ans de service.

Une turbine Kaplan est une turbine hydraulique à hélices, de type « propulsion » qui a été inventée en 1912 par l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan dont elle tire le nom.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Elle est adaptée pour les faibles chutes de 2 à 25 mètres de hauteur[Note 1], et les très grands débits de 70 à 800 m3/s.

La turbine Kaplan se différencie des autres turbines à hélices, par ses pales orientables, dont on peut faire varier le pas pendant le fonctionnement. Cela lui permet d'avoir un rendement énergétique élevé pour des débits d'eau variables. Son rendement atteint normalement entre 90 % et 95 %[1].

La turbine Kaplan est une évolution technique de la turbine Francis. Son invention a permis la production d'énergie efficace lorsque la turbine Francis ne pouvait pas être utilisée. Les diamètres peuvent varier entre 2 et 11 mètres avec une plage de la rotation de la turbine, pouvant varier de 50 à 250 tr/min, pour une puissance installée jusqu'à 250 MW.

Histoire[modifier | modifier le code]

Première turbine Kaplan, conservée au Musée des techniques de Vienne, Autriche

En 1910, l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan, vivant à Brno, en Tchécoslovaquie, propose un autre modèle de turbine, afin de répondre au rendement médiocre de la turbine Francis, dans le cas de chute de faible hauteur. Cette turbine à axe vertical, à rotor en hélice, possède des aubes à pas variable. Entre 1912 et 1913, Il dépose les quatre brevets, de ses principales inventions  :

  • le (ÖP No. 74388), pour une forme d'aube d'une roue primaire de turbine,
  • le (ÖP No. 74244), pour un dispositif complémentaire, de réglage des pales du rotor,
  • un autre brevet concernant la conception de l'espace entre la roue de guidage et le rotor,
  • un autre brevet concernant la fabrication des pales[2].

La première turbine Kaplan est créée en 1918, puis installée en 1919 dans une unité de démonstration à Poděbrady, en Tchécoslovaquie, puis une autre, dans une usine textile à Velm-Götzendorf, en Autriche, d'une puissance de 25,8 ch pour une hauteur de chute de 2,3 mètres. (celle-ci fonctionnera jusqu'en 1955, et est visible depuis, au Musée des techniques de Vienne, Autriche). Cependant, Viktor Kaplan, est obligé d'arrêter ses recherches en 1922, pour des raisons de santé.

En 1922, la société allemande Voith installe des turbines Kaplan en rivière d'une puissance de 800 kW. Le développement des turbines Kaplan est cependant arrêté, en 1926, à cause de l'apparition du phénomène destructeur de la cavitation, pendant le fonctionnement de la turbine[Note 2].

En 1926, une société suédoise résout le problème, en créant un dispositif de servo-direction à commande hydraulique, permettant l'ajustement dynamique de l'angle de rotation des pales du rotor, avant que la cavitation n'apparaisse. Cette même année est installée, à Lilla Edet, en Suède, une turbine au rotor de 5,8 mètres de diamètre et d'une puissance de 10 000 ch pour une hauteur de chute de 6,5 mètres.

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Applications[modifier | modifier le code]

Les turbines Kaplan sont maintenant largement utilisés dans le monde entier, dans le cas de fort débit, ou de faible hauteur de chute.

Le phénomène de cavitation[modifier | modifier le code]

Une érosion prématurée peut se rencontrer dans l'utilisation d'une turbine, provoquée par la cavitation[3]. 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.

La maintenance hydraulique[modifier | modifier le code]

Les équipements hydrauliques des centrales françaises, concédées par l'État à EDF ou à ses filiales, sont présents dans 447 centrales hydroélectriques. On y trouve en particulier des turbines Kaplan et leurs composants (rotors, aubes, pales, vérins, vannes, robinets, paliers, etc.). Tous les éléments touchant à l'équipement hydraulique sont entretenus et maintenus par une unité interne d'EDF, le Service de Réparation Hydraulique[4], 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.

Le groupe bulbe[modifier | modifier le code]

Histoire[modifier | modifier le code]

Réversibilité d'un groupe bulbe

Une évolution de la turbine Kaplan réside dans le groupe bulbe.

  • Un premier brevet est déposé par G. Khune, pour une turbine tubulaire, le  ;
  • Un second brevet est déposé le , par J. Haefele, pour une turbine à écoulement axial horizontal ;
  • Ce n'est que le , qu'est déposé, par Huguenin, un brevet pour un premier groupe bulbe.

Ces 3 brevets, sont acquis par Escher Wyss, le fabricant suisse de turbines, à Zurich. Le dernier brevet homologué le , est exploité par Arno Fisher, qui en , met en service deux groupes bulbes, d'une puissance de 168 kW, à Röstín, en Poméranie, (actuellement en Pologne), sur le fleuve Parsęta, qui fonctionneront jusqu'en [5].

Développement[modifier | modifier le code]

Plan de coupe d'un groupe bulbe, à l'usine marémotrice de la Rance, le distributeur en amont de l'hélice

Le développement industriel a démarré en 1950. En France, c’est en 1960, avec l'usine marémotrice de la Rance, inaugurée le , que la production électrique a débuté, avec un ensemble de 24 groupes bulbes, d'une puissance unitaire de 10 MW, soit une puissance installée de 240 MW[6],[7]. En Corée du sud, c'est la centrale marémotrice de Sihwa, équipée d'un ensemble de 10 groupes bulbes, d'une puissance unitaire de 25,4 MW, soit une puissance installée de 254 MW, qui est la plus puissante installation de ce type au monde, depuis .

Dans ce type de machine, turbine et alternateur sont couplés selon un axe horizontal, à l’intérieur d’une enveloppe profilée, immergée dans le flux d’eau. Cette disposition, qui a pour avantage de donner à l’écoulement un tracé rectiligne, est particulièrement adaptée aux très basses chutes, et aux forts débits[8].

Cette évolution technologique a permis l'amélioration de l'écoulement hydraulique, sans changement de direction, d'où une augmentation du rendement, ainsi qu'une réduction des dimensions et donc une diminution des coûts[9], ce qui a contribué à son essor, partout à travers le monde. En France, les centrales les plus importantes, équipées en groupes bulbes, se rencontrent, dans la vallée du Rhône, sur l'Isère, sur le Tarn, sur la Moselle, sur la Truyère, sur la Dordogne, sur le Rhin, sur le Lot ou sur la Garonne[10].

La plus forte puissance atteinte par un groupe bulbe, est de 60 MW[11].

Fonctionnement réversible[modifier | modifier le code]

Le groupe bulbe est par nature réversible, du fait de l'écoulement axial et de la symétrie des adductions amont et aval, et peut fonctionner en pompe ou en turbine dans les deux sens d'écoulement. C'est le cas, par exemple, dans les usines marémotrices, en fonction de la marée, et permis grâce à l'orientation des pales[12].

Le distributeur (grille fixe constituée d'un aubage mobile avec 20 directrices), en amont de l'hélice joue un rôle important. Il permet d'utiliser la hauteur de la chute pour contraindre le fluide à traverser les directrices, orientées de manière à générer un tourbillon. L'énergie potentielle de hauteur est ainsi transformée en vitesse tangentielle (qui s'ajoute dans le meilleur des cas, à 60 % de la vitesse axiale du fluide)[13].

En fonctionnement inverse, le distributeur n'est plus en amont mais en aval de l'hélice, ce qui engendre une diminution du rendement de l'ordre de 10 %. Le distributeur ne joue plus son rôle et les directrices doivent être bloquées en position de pleine ouverture et verrouillées[14].

La turbine VLH (Very Low Head Turbine)[modifier | modifier le code]

La turbine « très basse chute » (Turbine VLH ou de l'anglais Very Low Head Turbine, brevetée en 2003) : type de turbine (évolution de la turbine Kaplan à ouverture variable), conçu pour protéger l'environnement et en particulier la faune piscicole (saumons en montaison, anguilles en avalaison, truites, etc), dans les fleuves ou rivières[15].

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Les turbines VLH sont caractérisées par [16] :

  • une installation dans une passe, de faible hauteur, de 1,5 à 4,5 m, avec un génie civil réduit,
  • un fonctionnement discret (visuel et sonore) dans l'environnement (rural ou urbain),
  • un grand diamètre de la roue (de 3 à 5 mètres de diamètre),
  • 8 pales à ouverture variable, permettant l'obturation totale autonome,
  • une inclinaison à 45 ° qui facilite la maintenance et le relevage par basculement, dans la passe,
  • une structure autoportante permettant un assemblage complet en usine et une installation très rapide,
  • un dispositif d’effacement permettant la mise hors d’eau du groupe, pour maintenance ou en cas de crue,
  • une faible vitesse de rotation, de l'ordre de 34 tr/min,
  • une faible vitesse d’écoulement de l'eau, de 10 à 30 m3/s,
  • une gamme de puissance, de 100 à 500 kW (au réseau),
  • une faible mortalité piscicole (turbine ichtyophile)[17].

Développement[modifier | modifier le code]

Turbines VLH de la centrale du Rondeau à Échirolles

Ces turbines VLH sont apparues en France, compte tenu :

  • que les possibilités de développement d'installations hydroélectriques d'envergure, sont faibles ;
  • des contraintes environnementales, et de protection de la faune piscicole ;
  • qu'il est possible d'intégrer ces équipements sur des sites existants :
    • soit en remplacement, d'un ouvrage existant (comme sur la Mayenne)[18],[19] ;
    • soit en complément d'un ouvrage existant, par l'installation du nouvel équipement, dans le canal d'évacuation de la précédente installation, permettant ainsi d'optimiser le potentiel énergétique global du site (comme à Échirolles, dans l'Isère, sur le Drac inférieur)[20] ;
  • que la « petite hydraulique », affiche un potentiel relativement important, qui a été estimé, en France, à 1 000 MW de capacité (source : Observatoire des énergies renouvelables (Observ'ER))[21],[22].

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. En raison de la rotation rapide de l'hélice dans l'eau, une zone de basse pression se crée sous la surface d'aspiration de la pale, et des bulles de vapeur d'eau se forment et disparaissent à une fréquence très élevée, provoquant des micro-claquements, qui érodent la surface des pales et les détruisent

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) World News (WN) Network, « Kaplan turbine », sur wn.com,‎ (consulté le 22 septembre 2015).
  2. (en) Verbund, « Kaplan Turbines », sur verbund.com (consulté le 7 mars 2016).
  3. Jean-Pierre Durel, « Comment éviter les effets de la cavitation sur une turbine Kaplan » [PDF], sur freehostia.com (consulté le 22 septembre 2015).
  4. EDF - SRH, « Le service de réparation hydraulique (SRH) d'EDF » [PDF], sur edf.com,‎ (consulté le 21 septembre 2015).
  5. C. Thirriot - Institut national polytechnique de Toulouse - La houille blanche N°3, « Comparaison entre turbine Kaplan et groupe bulbe » [PDF], sur shf-lhb.org,‎ (consulté le 26 septembre 2015).
  6. « Le fonctionnement d'une usine marémotrice » (consulté le 21 septembre 2015).
  7. GEH - EDF, « Le Groupe d'Exploitation Hydraulique Ouest » [PDF], sur blogspot.fr,‎ (consulté le 21 septembre 2015).
  8. « La turbine Kaplan », sur hydrelect.info,‎ (consulté le 21 septembre 2015).
  9. P. Cazenave - La houille blanche N°3, « L'utilisation des groupes bulbes dans les aménagements de basse chute » [PDF], sur shf-lhb.org,‎ (consulté le 26 septembre 2015).
  10. J. Cotillon - La houille blanche N°2/3, « Les groupes bulbes : de Röstin en Avignon : l'essor d'une technique » [PDF], sur shf-lhb.org,‎ (consulté le 26 septembre 2015).
  11. « Turbines hydroélectriques bulbe », sur alstom.com (consulté le 21 septembre 2015).
  12. André Lacoste - La houille blanche N°7/8, « Exploitation et entretien des groupes bulbes » [PDF], sur shf-lhb.org,‎ (consulté le 8 octobre 2015).
  13. Mecaflux Heliciel, « Captage d'énergie hydraulique par turbine hélice ou kaplan : La relation distributeur et hélice », sur heliciel.com (consulté le 8 octobre 2015).
  14. ENSEEIHT, « Les bulbes, le cœur du système », sur hmf.enseeiht.fr (consulté le 8 octobre 2015).
  15. MJ2 Technologies, « Groupe turbo générateur pour très basse chute : Le concept VLH » [PDF], sur mp-i.fr,‎ (consulté le 13 décembre 2015).
  16. MJ2 Technologies, « Turbine VLH », sur vlh-turbine.com (consulté le 13 décembre 2015).
  17. Timothée Besse - ERT Biodiversité Fonctionnelle et Gestion des Territoires - Rennes, « Tableau de Bord Anguille du Bassin Loire : Turbines ichtyophiles et dispositifs d'évitement pour anguilles en avalaison » [PDF], sur observatoire-poissons-migrateurs-bretagne.fr,‎ (consulté le 11 janvier 2016).
  18. Concours général des lycées 2013, « L'eau, une énergie qui coule de source » [PDF], sur ac-aix-marseille.fr,‎ (consulté le 13 décembre 2015).
  19. Concours général des lycées 2013, « L'eau, une énergie qui coule de source (corrigé) » [PDF], sur education.fr,‎ (consulté le 14 décembre 2015).
  20. « Centrale Hydroélectrique du Rondeau EDF (Echirolles/38) » [PDF], sur france-hydro-electricite.fr (consulté le 13 décembre 2015).
  21. EDF L'énergie en questions, « Un appel d'offres pour développer la petite hydro-électricité », sur lenergieenquestions.fr,‎ (consulté le 11 janvier 2016).
  22. Observ'ER, « L’Observatoire des énergies renouvelables », sur energies-renouvelables.org (consulté le 11 janvier 2016).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]