Moteurs hydrauliques

Devant répondre à des exigences de performance toujours plus rigoureuses, les moteurs hydrauliques furent sans cesse optimisés. La pluviométrie et la topologie des lieux d’implantation influencèrent grandement leurs géométries. Ainsi, d’une région à l’autre, les types de moteurs varient grandement. Voici un petit tour d’horizon des différents moteurs hydrauliques existants.


Les Roues

Roues Par-dessus ou à augets

La roue par-dessus, ou roue à augets, utilise l’énergie potentielle de l’eau contenu dans des réservoirs – les augets – placés sur le périmètre de la roue. Le poids des augets déséquilibre la roue et engendre un couple moteur. Pour permettre aux augets de se remplir, le canal d’amené se termine en coursive et la vitesse de la roue doit rester faible. L’étanchéité des augets et leur géométrie déterminent le débit maximal de travail et donc la puissance exploitable. Le rendement de ces roues est de l’ordre de 70 à 75%. Elles sont particulièrement appréciées lorsque le débit disponible est faible malgré une hauteur de chute importante, usuellement comprise entre 2 et 5m.

Roue à augets à persiennes
Roue à augets à persienne
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Roues Par-dessous et Poncelet

Ces roues tirent principalement parti de la force vive de l’eau, son énergie cinétique. L’eau, mise en vitesse sur un plan incliné, frappe les pales droites de la roue. Du fait des perte d’énergie sur le plan incliné et des turbulences dues au choc de l’eau sur les pales, le rendement des ces roues varie de 25 à 40%

Pour remédier à ces chocs, Poncelet propose des pales inclinées ou en développante de cercle. Mise en vitesse par une vanne inclinée et la pression de la retenue, l’eau entraîne les pales sans s’y cogner. Le rendement de ces roues par-dessous améliorées se situe entre 60 et 80%. Les roues Poncelet sont principalement utilisées pour des chutes de 1 à 2m.

Roue par-dessous à aubes plates
Roue à choc
Roue Poncelet
Roue par-dessous à aubes plates
Roue à choc
Roue Poncelet
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Rodets et Cuillères

Les roues à axe vertical bénéficient d’une arrivée d’eau latérale par le biais d’une conduite à l’air libre. De formes variées, ces roues de petit diamètre ont des vitesses de rotation élevées et furent souvent utilisées pour entraîner des meules en direct, sans démultiplication. Leur rendement est de l’ordre de 40%.

Rodets et cuillères
Rodets et cuillères

Roues Pendantes

Aussi appelées roues de rivière ou roues de bateau, ces roues n’exploitent que le courant d’un cours d’eau. Pendues à une coursive ou flottantes sur la rivière pour suivre les variations de niveau d’eau, elles offrent des rendements proches de 25%.

Roues pendantes
Roues pendantes

Roues de côté

Ces roues sont utilisées lorsque la chute est de l’ordre de 1.5 à 2m. L’eau pénètre dans la roue quasiment au niveau de l’axe de la roue et son poids induit la rotation. L’étanchéité de la roue est réalisée par le radier circulaire et la sortie de l’eau est laissée libre pour limiter les effets de barbotage. Ce type de roue est réservé à des débits faibles et présente des rendements entre 40 et 70%.

Roue de coté à aubes courbes
Roue de poitrine
Roue de coté à aubes courbes
Roue de poitrine
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Roues Sagebien et Zuppinger

Amélioration de la roue de poitrine, la roue Sagebien comporte un grand nombre de pales planes inclinées. Cette roue, appelée aussi roue-vanne, présente un excellent rendement entre 80 et 90%. Elle est mue par le poids de l’eau qui arrive dans le moteur à très faible vitesse. Les hauteurs de chute équipées allant de 0,5 à 3 m et les débits pouvant être important, ces roues sont susceptibles de développer des puissances considérables.

Évolution de la roue Sagebien, la roue Zuppinger propose des pales légèrement recourbées. Cette géométrie permet de diminuer les chocs de l’eau à l’entrée de la roue. De même, l’eau s’évacue de la roue plus facilement ce qui améliore ses performances.

Roue Sagebien
Roue Sagebien
Epure Sagebien et Zuppinger
Roue Sagebien
Roue Sagebien
Epure Sagebien et Zuppinger
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Les Turbines

Turbine Fontaine

Particulièrement adaptées aux chutes de 1 à 4 m, les turbines Fontaines sont des turbines axiales installées en chambre d’eau. Sous l’effet de la pesanteur, l’eau passe successivement dans un disque à aubes directrices fixes puis dans la roue de la turbine. De grand diamètre, ces turbines tournent assez lentement et sont indiquées pour les sites à débit et hauteur de chute variables. Leur rendement peut atteindre 85%.

Le débit de travail peut d’ailleurs être modulé. En fonction du modèle de turbine, des clapets sont actionnés manuellement pour modifier l’arrivée d’eau. Dans certains cas, des tambours déploient des tabliers de cuir étanche sur le disque à aubes directrices.


Turbine Francis

Les turbines Francis sont à action centripète (l’admission se fait depuis la périphérie jusqu’à l’axe). C’est la turbine de moyenne chute par excellence et elle est utilisée sur une large plage de vitesse entre 50 et 450tr/min.

Elle est constituée d’une “bâche” ou volute d’alimentation en spirale acheminant l’eau vers une roue mobile. Un diffuseur peut être monté après la roue pour augmenter l’effet d’aspiration d’eau et donc le débit de travail. Celui-ci est modulé à l’aide de directrices constituant le distributeur. Ce distributeur est manœuvré manuellement ou à l’aide d’un moteur.

Cette turbine peut être montée à l’horizontale comme à la verticale et peut être doublée pour augmenter la puissance installée. Son rendement se situe entre 75 et 85%.

Turbine Francis Verticale
Turbine Francis horizontale
Double turbine Francis horizontale
Turbine Francis Verticale
Turbine Francis horizontale
Double turbine Francis horizontale
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Turbine Pelton

La turbine Pelton a un fonctionnement purement radial et est particulièrement adaptée aux hautes chutes et vitesses d’eau importantes. Elle est l’amélioration des roues à impact (Rodets et Cuillers). Elle comporte un ou plusieurs injecteurs focalisant le jet d’eau sous pression sur la roue mobile équipée d’augets. L’ensemble est entouré d’une bâche pour contenir les projections d’eau. Avec des vitesses de rotation élevées, son rendement varie de 75 à 85% à pleine charge.


Les vis hydrodynamiques

Derniers nés des moteurs hydrauliques, les vis hydrodynamiques reprennent un principe vieux de plusieurs millénaires : la vis d’Archimède. Souvent utilisées comme pompe dans l’industrie, les vis d’Archimède sont réversibles. Sous l’effet du poids de l’eau contenu dans les filets de la vis, elle se met en rotation. Ayant l’avantage d’être complètement ichtyocompatible, elle est de plus en plus fréquemment utilisée pour turbiner les débits réservés. Peu sensible aux objets flottants, elle peut également tirer profit des flux d’eaux usées. En fonction de leur longueur, elles équipent les basses et moyennes chutes. Elles présentent des rendements variant de 75 à 90% en fonction du débit disponible.

Sources des illustrations et des valeurs numériques:

  • D LE GOURIERES : Les petites centrales hydroélectriques, Edition du Moulin Cadiou, 2009
  • R CHAMPLY : Moteurs hydrauliques, Editions du Roc de Bourzac, 2004