Description et caractéristiques des machines hydrauliques : pompes et turbines

Résumé

Ce document présente les turbomachines hydrauliques, dans lesquelles le fluide échange de l'énergie par l'écoulement et la vitesse, et les distingue des machines volumétriques, où l'échange se fait par variation de volume et de pression. Il détaille ensuite les composants des pompes rotodynamiques (roue, couronne directrice, spirale, diffuseur) et des turbines hydrauliques (conduite forcée, boîtier en spirale, distributeur, roue, point de vidange).

Points clés

Les turbomachines hydrauliques échangent de l'énergie principalement par l'écoulement et la variation de vitesse, à densité quasi constante.
Les machines volumétriques (à déplacement positif) échangent de l'énergie sous forme de pression liée à la variation de volume.
Une pompe rotodynamique transforme l'énergie mécanique en énergie de pression dans le fluide.
Dans une pompe, la couronne directrice et le diffuseur transforment l'énergie cinétique en énergie de pression.
Une turbine hydraulique utilise la pression d'un fluide pour produire de l'énergie mécanique, souvent convertie en électricité.
Dans une turbine à réaction, le boîtier en spirale transforme la pression en vitesse dirigée vers les aubes, et le distributeur dirige le flux vers la roue.

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2. DESCRIPTION ET CARACTÉRISTIQUES DES MACHINES ET VOLUMÉTRIQUE

Les turbomachines hydrauliques sont celles dans lesquelles le fluide impliqué, de densité pratiquement constante, échange de l'énergie au cours du processus. Les machines à déplacement volumétrique (ou à déplacement positif) présentent, quant à elles, un échange d'énergie sous forme d'énergie de pression lié à la variation de volume. On parle aussi de machines à turbo-puissance ou de turbomachines lorsque l'énergie est principalement échangée par l'écoulement et la vitesse.

Contrairement aux machines volumétriques, où le changement est essentiellement lié au volume, dans les turbomachines les variations d'écoulement et la valeur absolue de la vitesse sont les facteurs principaux.

Composants des pompes et des turbines

Expliquer brièvement les composants des pompes et turbines :

Pompes rotodynamiques

Pompes rotodynamiques : machines à entraînement rotatif qui utilisent l'énergie mécanique pour la transformer en énergie de pression dans le fluide. Les principaux éléments constitutifs sont les suivants :

Turbine (ou roue) : organe échangeur d'énergie fixé à l'arbre de la machine et composé d'éléments appelés pales ou aubes, qui transmettent l'énergie mécanique au fluide ou reçoivent l'énergie du fluide selon le sens de fonctionnement.
Couronne directrice : transforme l'énergie cinétique en énergie de pression. Elle est constituée d'ailettes qui dirigent le flux de façon optimale avec des pertes minimales. C'est une caractéristique essentielle des pompes pour optimiser leur fonctionnement.
Spirale (volute) : recueille le liquide et le conduit vers la sortie de la pompe en limitant les pertes. Elle transforme efficacement l'énergie dynamique en énergie de pression.
Diffuseur : dernier élément responsable de la transformation de l'énergie dynamique en énergie de pression. Il augmente l'efficacité globale de la pompe.

Turbines hydrauliques

Turbines hydrauliques : elles utilisent la pression d'un fluide pour générer de l'énergie mécanique (souvent convertie ensuite en électricité). Les éléments d'une turbine sont :

Conduite forcée : le tuyau qui alimente la turbine, amenant le liquide vers la turbomachine. Avant d'atteindre les pales de la turbine, une porte ou une vanne est généralement placée pour réguler l'écoulement.
Boîtier en spirale (volute) ou enveloppe : composante essentielle dans les turbines à réaction, elle transforme la pression du fluide en vitesse dirigée vers les aubes.
Distributeur (turbines à réaction) : ensemble de pales fixes qui dirigent le flux vers la roue. Dans ce cas, la pression fournie par la spirale se transforme principalement en vitesse avant d'atteindre la roue.
Roue : organe mobile fixé à l'arbre de la machine, composé de plusieurs pales ou aubes, et qui reçoit l'énergie du fluide pour la convertir en énergie mécanique de rotation.
Point de vidange : zone de sortie où, une fois utilisée, la pression du fluide est évacuée vers un autre canal ou vers le canal de sortie.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une machine volumétrique et une turbomachine hydraulique ?

Dans les machines volumétriques, l'échange d'énergie se fait sous forme de pression liée à une variation de volume. Dans les turbomachines, ce sont surtout les variations de l'écoulement et de la vitesse qui comptent.

Quel est le rôle de la couronne directrice dans une pompe ?

La couronne directrice est constituée d'ailettes qui dirigent le flux de façon optimale avec des pertes minimales. Elle transforme l'énergie cinétique en énergie de pression.

Que fait la roue d'une turbine hydraulique ?

La roue, fixée à l'arbre de la machine, reçoit l'énergie du fluide au moyen de ses aubes et la convertit en énergie mécanique de rotation.