Une turbine hydraulique est une machine qui convertit l’énergie de l’eau en mouvement en la force de rotation d’un arbre. L’arbre rotatif peut être connecté à un générateur pour créer de l’électricité. La principale distinction d’une turbine hydraulique par rapport à une autre est de savoir si elle est de type à réaction ou à impulsion. Ces catégories sont en outre classées en conceptions spécifiques, notamment les turbines Francis, Kaplan, Pelton, Turgo et à flux croisés.
Une turbine à réaction crée une rotation en enfermant l’arbre avec sa roue attachée dans un boîtier pour contenir la pression de l’eau et en fonctionnant immergé dans le flux d’eau. Les pales inclinées autour de l’arbre d’une turbine hydraulique à réaction font que la portance absorbe la pression et la force de l’eau et les convertit en rotation. Les turbines à réaction fonctionnent généralement avec des niveaux de chute ou de pression d’eau faibles à modérés.
Un type de turbine hydraulique à réaction est la conception Francis. Une entrée en forme de spirale dirige l’eau dans la roue ou le coureur. Les ailettes réglables guident l’eau contre le coureur à l’angle désiré. La pression et le débit de l’eau sont modifiés par la réaction avec le coureur, créant ainsi un couple.
La turbine Kaplan, ou hélice, est une autre variante du type de réaction. La conception intègre des aubes pour guider le débit d’eau et des pales sur l’arbre du rotor similaires à l’hélice d’un navire. Les lames sont réglables pour maximiser l’efficacité à travers une gamme de niveaux de pression s’il y a suffisamment de débit d’eau, ce qui rend cette conception très flexible.
Une turbine à impulsion crée une rotation grâce à la force d’un courant d’eau dirigé vers une série de seaux, ou coupelles, entourant l’arbre. Les seaux ne sont pas immergés dans l’eau, mais sont déplacés par le courant d’eau. La vitesse de l’eau est augmentée en la forçant à travers une buse avant qu’elle ne frappe les seaux. Les turbines à impulsion peuvent fonctionner à des niveaux de chute élevés et ne nécessitent pas que la roue soit enfermée.
La version Pelton de la turbine hydraulique à impulsion, c’est-à-dire la roue Pelton, a une série de godets dans un anneau autour de l’arbre. Les seaux sont divisés au milieu afin que la force de l’eau de la buse ne soit pas empêchée par un seau d’atteindre le suivant. L’eau se courbe autour de la forme de chaque seau arrondi sur près de 180° et sa vitesse diminue considérablement. L’eau ralentie tombe dans un canal d’évacuation sous la turbine.
Une autre turbine à impulsion est la conception Turgo. Cette unité est similaire à la roue Pelton, mais les godets sont plats sur un bord entouré d’une bande encerclante. La buse dirige l’eau contre les godets pour qu’elle entre d’un côté et refoule de l’autre. Le Turgo gère une vitesse plus élevée que la configuration Pelton en utilisant une roue plus petite car l’eau d’entrée ne se mélange pas avec la décharge.
Les turbines à flux transversal fonctionnent avec un rotor en forme de tambour coiffé à chaque extrémité et relié à des lamelles arrondies qui sont parfois en hélice ou en double hélice. La buse de cette turbine hydraulique dirige l’eau à travers le rotor de sorte que l’eau entre en contact deux fois avec les pales avant de dépenser son énergie et de tomber dans la décharge. Les turbines à flux croisés peuvent fonctionner avec très peu de chute, même avec un débit important.