Turbines verticales

Turbine Foumeyron. — Dans la turbine Fourneyron où Teau est versée latéralement (fig. i5i), la couronne mobile est calée sur un arbre vertical en fer forgé A, dont l'extrémité inférieure se termine par un pivot qui tourne dans une boîte-crapaudine è, scellée sur une pierre dans le radier du canal de fuite. Un levier /, relié à une tringle, permet de régler la hauteur de Farbre par rapport au pivot et à la couronne.

L'arbre A se meut dans un fourreau en fonte F qui supporte à la partie inférieure la couronne fixe ou directrice P. Ce fourreau est cintré et maintenu dans sa position par un collier en fonte B et trois entretoises en fer forgé, fixées à trois sabots en fonte B' boulonnés sur la collerette d'un grand cylindre en fonte C. Le cylindre C sert à son tour de guide à un autre cylindre intérieur V , en fonte, qui forme le vannage de la turbine, en s'élevant ou s'abaissant entre la turbine et la couronne fixe, à Taidede trois tringles verticales /, que manœuvre un mécanisme unique à l'étage supérieur. Le cylindre C est boulonné sur un cadre de charpente formant le fond de

II) Hervé Mangon. Traité de génie ruraL 1875. t. III. p. 326.

la chambre d'eau de la turbine. Quanta la couronne lixe P , elle est munie <l*aubes partant du pourtour et dont la moitié seulement arrive au moyeu, tandis que l'autre moitié aboutit à la circonférence moyenne. Ces aubes donnent à l'eau la direction voulue pour qu'elle pénètre dans la couronne mobile.

La turbine Fourneyron, qui vient d'être décrite, a été complètement modifiée et renouvelée dans ses organes les plus essentiels; telle qu'elle était encore établie en 1867, la disposition de son vannage la rendait impropre à utiliser complètement la puissance d'un cours d'eau à volume et à niveau variables. Placée hors de leau d'aval , la vanne étant tout à fait levée, la turbine marchant dans des conditions normales, pouvait donner un rendement satisfaisant; mais que la vanne fût levée partiellement, ou bien que la turbine étant noyée, la vanne fût haussée d'une hauteur moindre que le regard, il y avait perte de travail. Cette variation de rendement, d'après les essais anciennement faits à la filature d'Inval, sur une turbine marchant noyée, sous une basse chute, était comprise entre 0,49 pour une levée de la vanne de o",09, et 0,71 pour une levée de o'",34.

Le partage, par des cloisons horizontales, de la couronne mobile, suivant la hauteur, remédie à l'inconvénient quand les positions de la vanne correspondent à chaque cloison; mais il est inefficace pour les autres positions.

Un volume d'eau constant et une vitesse de rotation absolument constante ne sont pas des conditions que la pratique permet en général de remplir.

L'inconvénient le plus grave, indépendamment de h disposition du vannage, réside dans celle du pivot qui est constamment dans l'eau, ce qui rend le graissage impossible et oblige, pour la moindre réparation , à démonter complètement la machine. De plus^ la dispo-

sition même des aubes facilite l'accumulation des herbes et des feuilles dans la couronne directrice, quoique l'on établisse un râtelier très serré en avant de la chambre d'eau.

FiG. i5i. — Turbine Fourneyron ; coupe verticale.

Malgré cela, d'après les essais faits à Saînt-Blaise, dans la Forét-Noire, sur une turbine mise en mouvement par une chute de 108 mètres de hauteur, l'appareil n'ayant que o°*,55 de diamètre et marchant à la vitesse de 2,3oo tours par minute, pour une force de 40

ôîG LES IRRIGATIONS.

chevaux-vapeur, utilisait 0,75 de la force de la chute (1).

Turbines Thomas. — Pour de très fortes chutes, les turbines ordinaires se réduisent à des dimensions très exiguës et perdent beaucoup de force par les engrenages qui doivent leur imprimer une grande vitesse de rotation. Thomas , ingénieur hessois, fut le premier à appliquer, pour ces cas spéciaux, des turbines dans lesquelles l'eau arrive en dessous, sur un ou plusieurs points de la circonférence; ce qui donne le moyen d'augmenter notablement le diamètre et de réduire la vitesse.

Dans la turbine Thomas établie à Veckerhagen, le diamètre était de i"*,20 pour une chute de 20 mètres, le nombre de tours étant de 160 par minute. Selon que l'effort à surmonter était plus ou moins considérable, on ouvrait un ou plusieurs des ajutages qui amènent leau sous les aubes, et de cette manière l'effet utile ne changeait pas sensiblement pour des dépenses variant du simple au quadruple ; mais il diminuait très rapidement si Ton ouvrait au contraire un ou plusieurs autres ajutages, sans augmenter le volume d'eau alimentaire. Ce principe des vannages partiels a été, comme on le verra, utilisé plus tard d'une manière très remarquable par les constructeurs de turbines.

Turbines Girard. — Des perfectionnements considérables ont été introduits par Girard à la turbine Four-

(1) Le diamctre du cylindre se calcule par la formule :

Q étant le volume d'eau à dépenser par seconde et V la vitesse due à ia charge d'eau. Le diamètre intérieur de la roue est d'environ o",04 plus grand, et le diamètre extérieur les 4 tiers du précédent. La hauteur de la roue se calcule d'après cela, de telle sorte qu'elle puisse débiter la quantité d'eau qu'elle reçoit. (Debette, Dict. des arts et manufactures. Hydraulique.)

neyron, quant au vannage, à l'alimentation, au pivot, et à la marche par niveau variable.

La figure i52 représente ces modifications, dues, comme tant d'autres, à Thabile ingénieur qui, en collaboration avec Charles Gallon, a créé la plupart des types et

donné une grande impulsion aux progrès de l'hydraulique.

Une turbine à chambre d'eau ouverte, quand la chute est peu élevée, exige pour Tapprofondissement du canal de fuite, des travaux souvent très coûteux de fouilles, d'épuisement et de fondations. Girard a imaginé, pour réduire l'importance de ces travaux, d'alimenter la turbine à Taide d'un siphon en fonte qui relève leau plus haut que le niveau d'amont, de telle sorte que la couronne mobile peut être placée à la hauteur du niveau d'aval, et la formation d'entonnoirs au-dessus des orifices de cette couronne est absolument évitée. Le siphon est étudié en vue d'utiliser la puissance vive correspondant à la vitesse de l'eau.

Le vannage même de la turbine comprend bien un cylindre en fonte, comme dans l'appareil Fourneyron, mais le profil ou diamètre est établi de manière que l'eau sort de la couronne fixe par une série d'ajutages coniques que forment les aubes, par la paroi intérieure B et par celle de la vanne cylindrique G.

La couronne mobile A est calée au bas d'un arbre creux en fonte D, passant dans le fourreau central de la bâche et se terminant en haut par un œil évidé dans lequel se logent le pivot et la boîte-crapaudine. Cette boîte elle-même est vissée à l'extrémité supérieure d'un arbre central fixe, F, en fer forgé, qui occupe l'intérieur de l'arbre creux. Il résulte de cette disposition que le pivot, l'organe le plus délicat de la turbine, est à l'abri de l'eau, et toujours accessible pour le graissage et les réparations.

Enfin, le niveau d'aval étant variable et pouvant descendre assez bas pour que le regard corresponde à un volume d'eau insuffisant , auquel cas le vannage ne peut pas être entièrement ouvert, le grave inconvénient se présente, commun à toutes les turbines, d'après lequel les

aubes de la couronne mobile sont remplies partiellement par Teau d'aval à l'état de repos relatif, d'où un choc de l'eau en mouvement sur l'eau au repos, qui cause une perte de travail. Pour assurer la marche de la turbine dans ces conditions, Girard a imaginé de dénoyer artificiellement la couronne mobile en y refoulant de l'air comprimé. Pour cela , une cloche en fonte H, parfaitement étanche, recouvre la couronne et reçoit par un tuyau m l'air comprimé.

Elle se prolonge en aval par un tambour plat I en tôle, aboutissant à un récipient ou récolteur d'air K, dans lequel arrive l'air, mécaniquement entraîné par Teau qui s'échappe de la turbine. Un tube vertical n, terminé par une sorte d'entonnoir renversé o, sert de tropplein à l'air.

Dans cette installation, la jx)sition du bord inférieur de l'entonnoir o détermine le niveau artificiel produit sous la turbine par Tinsufïlation de l'air; de telle sorte que la couronne mobile fonctionne dans l'air, quelle que soit la hauteur de l'eau d'aval.

Les turbines Girard sont de divers modèles suivant les

FiG. i53. — Turbine Girard a axe vertical: ÉLÉVATION ET COUPE PARTIELLE.

conditions dans lesquelles elles doivent être employées. Le modèle à axe vertical (fig. i 53) est très convenable pour les chutes de 2 à 4 mètres, en vue des élévations d'eau pour Firri^ation. 11 fonctionne avec un rendement de 70 à 80 pour 100, quoique noyé dans l'eau d'aval et bien que le cours d'eau varie comme volume et comme

Fig. 154. — Turbine Girard a bâche (hautes et basses chutes).

chute. L'effet utile, malgré les variations, reste constant à 5 pour 100 près.

Le modèle à bâche (fig. 1 54) applicable aussi bien aux chutes basses qu'aux chutes élevées, permet de se passer d'une chambre en maçonnerie. Les vannes-tiroirs se mouvant horizontalement dans le sens du rayon, empêchent les corps étrangers d'obstruer les orifices. L'immersion de la turbine dans l'eau d'aval pendant les crues n'exerce aucun effet quand le distributeur l'alimente sur toute la circonférence, mais quand le volume ne suffit pas pour

LES IRRIGATIONS. 63i

ouvrir en entier le vannage, Teau d'amont éprouve un obstacle à son passage. Pour obvier à cette perte de force, la turbine est artificiellement dénoyée, grâce à l'injection par une machine soufflante d'une certaine quantité d'air comprimé sous la couronne mobile.

Le modèle à siphon (fig. 1 55) ne diffère des types précédents que parce que l'eau y est relevée au-dessus du niveau d'amont, à l'aide du siphon qui la conduit à la bâche

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FiG. i35. — Turbine Girard a siphon; élévation (basses chutes).

du distributeur. Cette disposition s'applique aux cas de basses chutes qui autrement nécessiteraient des travaux coûteux pour donner au canal de fuite une profondeur suffisante, et pour ménager une hauteur d'eau assez grande au-dessus des orifices des distributeurs.

Enfin le modèle à pivot (fig. i56) correspond à l'utilisation d'une chute très élevée, mais à faible volume. La turbine n'étant alimentée dans ce cas que sur une portion de la circonférence, on peut lui donner un plus grand diamètre et une plus faible vitesse, en même temps que des orifices plus grands, moinssujets à s'obstruer. La

pression due à la chute, aide à supporter la turbine sur un pivot hydraulique consistant en deux plateaux : l'un inférieur et fixe, l'autre supérieur et mobile, entre lesquels arrive Teau du bief d'amont pour détruire tout grippement.

Turbines Fontaine (Euler). — Dans le système

FiG. i56. — Turbine Girard, de coté; élévation et coupe