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Fiche Méthodologique

Caractéristiques des principales turbines utilisées en hydroélectricité

Contenu

Type

Turbines KAPLAN Turbines FRANCIS Turbines PELTON
A réaction (énergie sous forme cinétique et potentielle) A réaction (énergie sous forme cinétique et potentielle) A action (énergie cinétique seulement)

 Domaine d’application

Hauteur de chute
Turbines KAPLAN Turbines FRANCIS Turbines PELTON
Usines de basses chutes (< 30-40 m) Usines de moyennes chutes voire de basses chutes pour des installations anciennes (de 30 à 300 m) Usines de hautes chutes (> à 150 m jusqu’à plus de 1 500 m)
Gamme de débit
Turbines KAPLAN Turbines FRANCIS Turbines PELTON
Débits faibles à forts (Jusqu’à 600 m3.s-1 et plus) Débits faibles à moyens
(de centaines de l/s à 200 m3.s-1)		 Débits relativement faibles (<15 m3.s-1)

 Caractéristiques principales

Turbines KAPLAN Turbines FRANCIS Turbines PELTON
  • 3 à 8 pales fixées sur un moyeu.
  • pales pouvant être orientables (débit turbiné modulable) ou fixe (débit turbiné fixe).
  • 2 dispositions possibles : axe de la turbine vertical (Kaplan classique) ou quasi-horizontal (groupe bulbe).
  • Rendement : 90-95%
  • Roue comportant un certain nombre d’aubes (de 7 à 19) fixées à un arbre disposé horizontalement ou verticalement. Entrée de l’eau en périphérie et sortie axiale (en général en dessous)
  • Rendement : 80-95 %
  • Roue comportant à sa périphérie une série d’augets (forme de 2 coquilles de noix juxtaposées séparées par une échancrure centrale – nombre d’augets en général inférieur à 24)
  • Rendement : 90%

 Formules prédictives de mortalité dans les turbines

Turbines KAPLAN Turbines FRANCIS Turbines PELTON
  • Pour les juvéniles de salmonidés

Mortalité de 2 à 20 %, moyenne de 9-10%

Formule de Bosc & Larinier (2000) : 

P = -13.85 + 45.38 * [(TL/D) * H^0.5]^1.442 + 6.953 * NAP^0.608

Avec :

P : part de mortalité, comprise entre 0 et 1

TL : longueur des individus (m)

D : diamètre de la turbine (m)

H : chute nette (m)

NAP : nombre de pales de la turbines (-)

 

  • Pour l'anguille argentée

Mortalités de 4-5 fois plus élevées que pour les juvéniles de salmonidés

Formules de Gomes et Larinier (2008) :

P(%) = 4.67 * TL^1.53 * Dr^-0.48 * N^0.6

P (%) = 6.59 * TL^1.63 * Q^-0.24 * N^0.63

P(%) = 12.42 * TL^1.36 * Q^-0.22 * Dr^-0.1 * N^0.49

Avec :

P : part de mortalité (%)

TL : longueur des individus (m)

Dr : diamètre de la roue (m)

N : vitesse de rotation (trs/min)

Q : débit nominal de la turbine (m^3/s)

  • Pour les juvéniles de salmonidés

Mortalité de 5 à 90 %, moyenne 30-40 %

Formules de Tomanova et al. (2023) :

P = L * (-4.714 * 10^-4 * D + 1.035 * 10^-4 * U) + 7.841 * 10^-2

P = L * [-2.522 * 10^-4 * √Q + 7.762 * 10^-4 * ln(H)]

Avec 

P : part de mortalité, comprise entre 0 et 1  (les valeurs <0 ou >1 doivent être ramenées respectivement à 0 ou 1)

L : longueur des individus (mm)

D : diamètre de la turbine (m)

H : chute nette (m)

U = π*D*N/60 : vitesse périphérique de la turbine (m/s)

Q : débit nominal de la turbine (m^3/s)

H : chute nette (m)

N : vitesse de rotation (trs/min)

Pour chacune des formules de Tomanova et al. (2023), il convient de s'assurer que les paramètres D,U ou Q,H se situent bien dans les plages de valeurs ci-dessous. Dans le cas contraire, leur utilisation risque de s'avérer inappropriée, en particulier en cas d'écart important :

- D entre 1.3 m et 4.7 m

- U entre 11 m/s et 38 m/s

- Q entre 8.2 m^3/s et 90.6 m^3/s

- H entre 5 et 137 m

  • Pour l'anguille argentée

Pas de formule définie spécifiquement pour l'anguille

Utilisation possible de la formule établie pour les smolts par Bosc et Larinier (2000) :

P = [sin(-17.98 + 45.62 * H^0.181 * D^-0.207 * TL^0.224)]^2

Avec :

sin() : en degrés (attention sur ce point lors de l'utilisation sous Excel)

P : part de mortalité (%),comprise entre 0 et 1

H : chute nette (m)

D : diamètre de la roue en entrée à mi-aubes (m)

TL : longueur des individus (m)
  • Mortalités proches de 100%
  • Pas de formule prédictive

Bibliographie :

Bosc S, Larinier M. 2000. Définition d’une stratégie de réouverture de la Garonne et de l’Ariège à la dévalaison des salmonidés grands migrateurs. Rapport GHAAPPE RA.00.01/MIGADO G17-00-RT G, 127 p.

Gomes P, Larinier M. 2008. Dommages subis par les anguilles lors de leur passage au travers des turbines Kaplan. Etablissement de formules prédictives. Rapport GHAAPPE RA08.05, 70 p.

Tomanova S, Courret D, Tymen B, Richard S, Dumond L, Sagnes P. 2023. Updated mortality estimation formulae for salmonids passing through Francis turbines at hydropower plants. Knowl. Manag. Aquat. Ecosyst., 424, 6.

 

Dommages entraînés sur l’ichtyofaune

3 catégories de dommages occasionnés par les turbines sur l’ichtyofaune peuvent être distinguées :

  • Mécaniques : choc avec partie mobile ou fixe de la turbine
  • Liés à la pression (dépression brusque en sortie de turbine qui cause des dégâts sur la vessie natatoire)
  • Liés au cisaillement : zones de turbulences extrêmes avec de fortes vitesses