Une turbine convertit l'énergie de l'eau en énergie mécanique. Il existe deux familles de turbines :
• les turbines à action, fonctionnant en pression atmosphérique normale, au même titre que les roues à aubes ou les vis hydrodynamiques ;
• les turbines à réaction, qui sont immergées en chambre d'eau ou en conduite forcée.
Les modèles les plus répandus de turbines à réaction sont de type Francis ou Kaplan (hélice). Dans une centrale hydraulique équipée par ces turbines, on observe souvent un élément appelé l'aspirateur, le diffuseur ou l'aspirateur-diffuseur. On peut voir ci-dessous par exemple un aspirateur-diffuseur qui sort de la chambre d'eau et plonge dans le canal de fuite.
Ci-dessous un schéma en coupe d'un équipement à turbine Francis (in Varlet, 1964). On observe en bas l'aspirateur-diffuseur qui organise l'écoulement de l'eau en sortie de turbine.
A quoi sert l'aspirateur-diffuseur ? A récupérer la hauteur de chute si, comme c'est généralement le cas, la turbine n'est pas installée au point le plus bas du canal de fuite ; à récupérer une part de l'énergie cinétique de l'eau en sortie de roue.
Le dessin (in Varlet, 1964) permet de comprendre plus aisément l'usage de l'aspirateur-diffuseur.
On voit trois hypothèses :
(a) un échappement libre, sans diffuseur ;
(b) un échappement avec un aspirateur-diffuseur cylindrique ;
(c) un échappement avec un aspirateur-diffuseur tronconique, qui est la forme habituelle des aspirateurs-diffuseurs.
Bien sûr, l’aspirateur-diffuseur est rempli d’eau en charge normale de fonctionnement.
Dans la première hypothèse, la vitesse de l'eau atteignant le canal de fuite (V3) est supérieure à la vitesse de l'eau en sortie de turbine (V2) : cette énergie résiduelle est donc non exploitée, le mouvement est accéléré. Dans la seconde hypothèse, les vitesses sont équivalentes, le mouvement est uniforme (V2=V3). Dans la troisième hypothèse, la vitesse de l'eau atteignant le canal de fuite est inférieure à la vitesse de l'eau en sortie de turbine (le mouvement est retardé).
Par « eau en sortie de turbine », il faut entendre la trajectoire des vecteurs-vitesse des particules d'eau quand elles quittent les aubes ou hélices de la turbine. La forme cylindrique simple permet de récupérer la hauteur de chute, la forme évasée permet en plus de récupérer une partie de l'énergie cinétique V2^2/2g.
La ralentissement de l’eau dans la forme évasée est due à l’effet Venturi : à débit constant et pression constante, quand on diminue / augmente la section (diamètre) d’un canal, on augmente / diminue la vitesse d’écoulement. Si la vitesse reste constante, c’est la pression qui change.
La principale complication pratique des aspirateurs-diffuseurs est le problème de la cavitation. Il se crée un vide partiel dans le filet d’eau en sortie de turbine (effet de dépression). Ce vide a pour effet qu’il se forme des minuscules bulles de vapeur d’eau, parfois en très grand nombre (plusieurs dizaines de milliers par minute), et que ces bulles vont venir s’écraser sur la face externe des aubes ou des pales de la turbine (l’extrados). Ce faisant, elles érodent le métal. On appelle ce phénomène la cavitation.
Pour éviter cela, on doit concevoir avec le plus grande précision la hauteur de l’aspirateur-diffuseur et l’angle d’évasement du conduit. On considère que ce dernier ne doit pas dépasser 10° (demi-angle d’ouverture).
Signalons enfin que l’aspirateur-diffuser peut avoir plusieurs formes (cf ci-dessous, extrait de Perrin 2003, DR).
Nota : d’autres indications et formules pratiques pour les usiniers sont les bienvenues, vous pouvez les signaler par commentaires ci-dessous et elles seront intégrées. Merci.
Références
Les deux premières illustrations sont tirées de : Varlet H (1964), Turbines hydrauliques et groupes hydro-électriques, Eyrolles.
A lire : Le Gouriérès D (2009), Les petites centrales hydroélectriques. Conception et calcul, Moulin Cadiou.
On retrouve de nombreux traits anciens et utiles dans la rubrique Vieux grimoires.