turbine.

turbine. 1 PRÉSENTATION turbine, moteur rotatif qui convertit l'énergie d'un courant d'eau, de vapeur ou de gaz en énergie mécanique. Plus généralement, c'est un organe permettant la détente d'un fluide en recueillant son énergie sous forme mécanique. L'élément de base d'une turbine est une roue ou un rotor à ailettes, à hélice, à lames, à aubes ou à augets disposés sur sa circonférence, de façon que le fluide en mouvement exerce une force tangentielle qui fait tourner la roue et lui confère de l'énergie. Cette énergie mécanique est ensuite transmise par un arbre qui fait tourner un moteur, un compresseur, un générateur ou une hélice. On distingue les turbines hydrauliques, ou à eau, les turbines à vapeur et les turbines à gaz. Dans le langage courant, le terme turbine désigne une installation de production d'énergie, la turbine étant parfois constituée de plusieurs étages. Aujourd'hui, les générateurs à turbine produisent la plus grande partie de l'énergie électrique dans le monde. Les premières turbines connues sont des éoliennes, utilisées en Mésopotamie, en 2000 av. J.-C., pour irriguer les cultures. 2 TURBINES HYDRAULIQUES 2.1 Historique 2.1.1 Roue hydraulique La forme la plus ancienne et la plus simple de turbine hydraulique est la roue hydraulique, utilisée pour la première fois dans la Grèce antique et adoptée ensuite pour moudre le grain dans la majeure partie de l'Europe ancienne et médiévale. Elle était constituée d'un arbre vertical muni d'aubes ou de pales radiales, placées dans un petit ruisseau ou dans un bief de moulin. Sa puissance utile était d'environ 370 W (ou 0,5 ch). La roue hydraulique horizontale, c'est-à-dire un arbre horizontal connecté à une roue à aubes verticale, décrite pour la première fois par l'architecte et ingénieur romain Vitruve au Ier siècle av. J.-C., avait la partie inférieure plongée dans le courant, entraînant ainsi l'ensemble avec un rendement meilleur que dans le cas d'un arbre vertical. Vers le IIe siècle apr. J.-C., la roue actionnée par sa partie supérieure, plus efficace, fit son apparition dans les régions montagneuses. Une chute d'eau se déversait sur les aubes, fournissant une énergie supplémentaire à celle du courant. La puissance maximale de la roue hydraulique en bois passa de 2 000 W (3 ch) à environ 37 000 W (50 ch) au cours du Moyen Âge. 2.1.2 Apparition de la turbine Le passage de la roue hydraulique à la turbine correspond à la rationalisation et à l'étude technique de celle-ci. Ces études s'appuient essentiellement sur les lois de la thermodynamique, et en particulier sur les travaux de Daniel Bernoulli et de Leonhard Euler, au XVIIIe siècle. La première tentative importante visant à formuler une théorie pour la conception d'une roue hydraulique date du XVIIIe siècle : l'ingénieur civil britannique John Smeaton démontra que la roue entraînée par sa partie supérieure était plus efficace. L'ingénieur militaire français Jean Victor Poncelet dessina toutefois une roue actionnée par sa partie inférieure, dont les pales incurvées augmentaient le rendement de près de 70 p. 100. Cette roue connut rapidement un grand succès. Un autre ingénieur militaire français, Claude Burdin, inventa le terme turbine dans le cadre d'un projet théorique dans lequel il mettait l'accent sur la vitesse de rotation. Benoît Fourneyron, qui étudia sous la direction de Burdin à l'École des mines de Saint-Étienne, conçut et construisit des roues atteignant des vitesses de 60 tr/min et fournissant aux sidérurgistes français une puissance maximale de 40 kW. Par la suite, Fourneyron construisit des turbines à 2 300 tr/min, développant 44 kW, avec un rendement supérieur à 80 p. 100. En dépit de sa remarquable efficacité, la turbine de Fourneyron présentait certains inconvénients. Par exemple, lorsque le flux d'eau était réduit ou lorsque la charge était supprimée, l'efficacité de la turbine était beaucoup plus faible. 2.1.3 Turbine Francis L'ingénieur américain James Bicheno Francis conçut une turbine à axe vertical, dans laquelle le flux était centripète (écoulement radial). Il s'agit de la turbine à réaction, ou turbine Francis. L'eau pénètre à la périphérie de la turbine et est évacuée le long de son axe. Ce type de turbine fonctionne par augmentation de la pression de l'eau s'écoulant à travers les lames, engendrant une force de réaction qui entraîne la roue : les énergies cinétique et potentielle sont converties en énergie mécanique. La pression de l'eau à la sortie de la roue est abaissée par un système appelé aspirateur, ce qui revient à augmenter virtuellement la hauteur de la colonne d'eau. La turbine à réaction devint la turbine hydraulique la plus largement utilisée pour les pressions ou les hauteurs de chute équivalant à une colonne d'eau de 15 à 500 m. 2.1.4 Turbine Pelton Pour les chutes supérieures à 200 m, on utilisa, pendant la seconde moitié du XIXe siècle, la turbine Pelton du nom de l'ingénieur américain Lester Allen Pelton. Dans cette turbine à axe vertical, l'eau est amenée depuis un réservoir supérieur par un long tuyau, appelé conduite forcée, jusqu'à une tuyère, où son énergie potentielle est convertie en énergie cinétique. Le jet obtenu est alors dirigé perpendiculairement à l'axe de la turbine, à l'aide d'un injecteur, sur des augets incurvés (en général une vingtaine). Le jet incident « rebondit « contre les augets qui entraînent en rotation la roue sur laquelle ils sont fixés. On produit ainsi de l'énergie mécanique à partir de l'énergie cinétique du jet incident. L'action de la roue de Pelton dépendant surtout de l'action du jet sur la roue, ce type de turbine est également appelé turbine à action. 2.1.5 Turbopropulseur Au début du XXe siècle, la demande croissante en électricité d'origine hydroélectrique rendit nécessaire le développement d'une turbine pouvant être adaptée à de faibles hauteurs de chute d'eau, de 3 à 9 m, et utilisable sur de nombreuses rivières où de petites retenues pouvaient être construites. En 1913, l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan proposa pour la première fois son turbopropulseur, qui fonctionne comme une hélice de bateau inversée. Il améliora par la suite cette turbine à écoulement axial, en permettant aux pales de tourner autour de leur axe, utilisant au maximum l'effet de réaction. Ces hélices à pas variable accrurent l'efficacité du système, en combinant de manière optimale l'angle entre les pales et la chute d'eau, ainsi que la vitesse d'écoulement. 2.2 Fonctionnement des turbines hydrauliques 2.2.1 Principe La turbine hydraulique transforme en énergie mécanique l'énergie potentielle ou cinétique contenue dans l'eau d'un lac, d'une rivière, d'une chute d'eau, ou d'une quelconque dénivellation. Dans une installation employant une turbine hydraulique, on trouve toujours une bâche d'alimentation, qui permet à l'eau de s'écouler jusqu'à l'entrée de la turbine. C'est un distributeur muni d'aubes, qui dirigent convenablement le jet d'eau pour qu'il arrive sur la roue mobile avec le minimum de perte. La roue de la turbine, équipée d'ailettes ou d'augets, est mise en rotation par la force centrifuge de l'eau sous pression. 2.2.2 Alimentation Pour maintenir constante la fréquence du courant électrique produit par une installation hydroélectrique, la vitesse de la turbine doit être fixe, quelles que soient les variations de la pression de l'eau. Ainsi, pour produire du courant à 50 Hz, la vitesse de rotation de la turbine doit être de 3 000 tr/min. Cela nécessite des commandes pour ouvrir ou fermer les passages de l'aube directrice, afin de réguler le débit et, dans le cas de la turbine de Kaplan, pour faire varier le pas de l'hélice. Dans une turbine utilisant une roue de Pelton, on règle le débit d'eau en ouvrant ou en fermant les tuyères d'alimentation. Dans ce cas, il faut une tuyère de dérivation de trop-plein, sinon, les brusques modifications de débit dans des conduites forcées de grande longueur entraîneraient de brutales différences de pression, appelées béliers hydrauliques, qui seraient très destructrices. En cours de réglage, le débit total de l'eau passant à travers les tuyères d'alimentation et de trop-plein doit être maintenu pratiquement constant, avec fermeture éventuelle de la tuyère de dérivation, la fermeture devant se faire très lentement pour éviter tout coup de bélier. 2.2.3 Puissance et rendement Les turbines hydrauliques sont surtout employées pour produire de l'électricité. Dans les installations à turbine hydraulique modernes, on a privilégié l'accroissement des hauteurs de chutes d'eau et l'augmentation de la taille des unités pour accroître la puissance fournie par les turbines. Les turbines Kaplan sont maintenant utilisées avec des hauteurs de chutes de près de 60 m, et les turbines de Francis, avec des hauteurs pouvant aller jusqu'à 610 m. La plus haute chute d'eau (environ 1 770 m) utilisant une roue de Pelton se trouve à Reisseck, en Autriche. L'un des plus importants systèmes de turbines est installé dans une centrale, à Itaipú, au Brésil : dix-huit turbines de type Francis, de 700 MW (mégawatts) chacune, offrent une puissance totale de 12 600 MW. Les plus grandes installations d'Amérique du Nord se trouvent à La Grande, sur la baie James, à l'est du Canada, où vingt-deux unités de 333 MW chacune fournissent une puissance totale d'environ 7 300 MW, et aux États-Unis, au barrage de Grand Coulee, sur la rivière Columbia, où l'installation a une puissance totale d'environ 6 500 MW. Aujourd'hui, avant de réaliser un système de turbine de grande puissance, les ingénieurs développent des modèles réduits pour étudier le comportement de la roue de turbine en fonction de la hauteur de chute. Les lois de similitude permettent de savoir, de manière assez précise, quelles seront les caractéristiques de la turbine hydraulique à réaliser. La plupart des systèmes hydroélectriques de petites retenues d'eau construits avant 1930 furent abandonnés, en raison des coûts de maintenance et de main-d'oeuvre élevés. Les augmentations successives du prix du pétrole brut ont réactualisé ces installations. Avec le développement standardisé des turbines à hélice à arbres quasi horizontaux, les petites installations sont redevenues intéressantes. Le rendement des turbines hydrauliques peut atteindre 90 p. 100 selon le type d'installation. 2.3 Turbines-pompes Les turbines peuvent également être conçues pour tourner en sens inverse, comme des pompes. Cela est possible en inversant le générateur, qui fonctionne alors comme un moteur. L'énergie électrique ne pouvant être stockée de manière économique, le fonctionnement de ces « turbines-pompes «, dont l'électricité est produite par des centrales nucléaires et au fuel pendant les heures creuses, permet de stocker de l'eau supplémentaire dans un réservoir. Cette eau peut ensuite être réutilisée pour entraîner la turbine aux heures de pointe. Au cours de ces dernières années, la technologie des turbines-pompes s'est améliorée pour permettre des hauteurs de chute d'eau d'environ 600 m et des puissances de turbine de plus de 400 MW. 3 TURBINES À VAPEUR 3.1 Historique La turbine à vapeur est le fruit du travail de nombreux chercheurs et ingénieurs à la fin du XIXe siècle. Parmi les contributions notoires au développement de ce type de turbine, on peut mentionner celles du Britannique Charles Algernon Parsons et celles du Suédois Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fut à l'origine du principe de la séparation des étages, selon lequel la vapeur se dilate dans un certain nombre d'étages, produisant à chaque fois de l'énergie. De Laval fut le premier à concevoir des jets et des augets adaptés à une utilisation efficace de la vapeur en expansion. 3.2 Fonctionnement Bien que les turbines à vapeur soient construites selon deux principes différents (à action ou à réaction : voir ci-après), leurs éléments essentiels sont similaires. Elles se composent de tuyères ou de jets, et d'ailettes. La vapeur s'écoule dans les tuyères, dans lesquelles elle se dilate. Ainsi, sa température diminue et son énergie cinétique augmente. La vapeur en mouvement exerce une pression contre les ailettes, entraînant leur rotation. La disposition des jets et des ailettes, fixes ou stationnaires, dépend du type de turbine. À la sortie du dernier condenseur (échangeur thermique), l'eau peut être de nouveau vaporisée et surchauffée. L'eau ou la vapeur en sortie est alors ramenée vers la chaudière et la pompe « alimentaire «, qui compresse de l'eau à l'état liquide. Il s'agit d'une turbine auxiliaire intégrée au cycle thermodynamique de la turbine principale utilisant de la vapeur soutirée dans celle-ci. Les turbines à vapeur sont des machines relativement simples dont la seule partie mobile importante est le rotor. Elles possèdent toutefois un équipement annexe, nécessaire à leur fonctionnement. Parmi celui-ci, un palier de tourillon supporte l'arbre et un palier de butée le positionne de manière axiale. Un système d'huile assure le graissage des paliers ; des joints réduisent les pertes de vapeur tout au long de son trajet. Enfin, un système d'étanchéité empêche la vapeur de s'échapper à l'extérieur de la turbine et l'air d'y entrer. La vitesse de rotation est commandée par des soupapes situées aux entrées d'admission de la machine et pilotées par des systèmes de régulation électroniques ou mécaniques. Les turbines à réaction développent une poussée axiale considérable, du fait de la chute de pression sur les ailettes mobiles. Cette poussée est généralement compensée par l'utilisation d'un piston d'équilibrage. La turbine à vapeur utilise des principes thermodynamiques. Lorsque la vapeur se dilate, sa température et donc son énergie interne diminuent. Cette réduction de l'énergie interne s'accompagne d'une augmentation de l'énergie cinétique sous la forme d'une accélération des particules de vapeur. Cette transformation rend une grande partie de l'énergie disponible. Ainsi, une réduction de 100 kJ de l'énergie interne, du fait de la dilatation, peut provoquer un accroissement de la vitesse des particules de vapeur de l'ordre de 2 800 km/h. À de telles vitesses, l'énergie disponible est importante. Lorsque la pression de la vapeur d'eau en sortie de la turbine est égale à la pression atmosphérique, la turbine est dite à condensation. Aujourd'hui, les turbines à vapeur sont généralement limitées à une température maximale de 580 °C dans le premier étage, et à une pression maximale d'admission de 170 à 180 bars. 3.3 Types de turbines à vapeur 3.3.1 Turbine à action La forme la plus simple de turbine à vapeur est la turbine à action, dans laquelle les jets sont fixés sur la partie intérieure de l'enveloppe de la turbine, et les ailettes placées sur le bord des roues tournantes montées sur un arbre central. La vapeur se déplaçant dans une tuyère fixe passe sur les ailettes incurvées, qui absorbent une partie de l'énergie cinétique de la vapeur dilatée, faisant ainsi tourner la roue et l'arbre sur lesquels elles sont montées. Cette turbine est conçue de manière à ce que la vapeur entrant par une extrémité de la turbine se dilate à travers une succession de tuyères jusqu'à ce qu'elle ait perdu la majeure partie de son énergie interne. 3.3.2 Turbine à réaction Dans la turbine à réaction, une partie de l'énergie mécanique est obtenue par l'impact de la vapeur sur les ailettes. La partie la plus importante est obtenue par l'accélération de la vapeur lors de son passage dans la roue de la turbine, où elle se dilate. Une turbine de ce type se compose de deux jeux d'ailettes, l'un fixe, l'autre mobile. Ces ailettes sont disposées de telle façon que chaque paire joue le rôle de tuyère, à travers laquelle la vapeur se dilate lors de son passage. Dans chaque étage, une faible quantité d'énergie thermique est convertie en énergie cinétique. La vapeur se détend dans les aubes fixes, puis entraîne les aubes mobiles disposées sur la roue ou le tambour de la turbine. Les ailettes d'une turbine à réaction sont en général montées sur un tambour, qui fait alors office d'arbre. Les turbines à réaction nécessitent en général davantage d'étages que les turbines à action. Il a pu être démontré que, pour le même diamètre et la même gamme énergétique, une turbine à réaction a besoin de deux fois plus d'étages pour obtenir un rendement maximal. Les grosses turbines, qui sont généralement à action, utilisent une certaine réaction à la base du trajet de vapeur pour assurer un débit efficace à travers les auges. Nombre de turbines, qui sont normalement à réaction, disposent d'un premier étage de commande d'impulsion, qui permet d'envisager la réduction du nombre total d'étages nécessaires. Les arbres des turbines de chaque étage sont reliés entre eux au moyen d'accouplements. 3.4 Caractéristiques des turbines à vapeur 3.4.1 Taille des composants Étant donné l'augmentation de volume liée à la dilatation de la vapeur dans les différents étages d'une turbine, la taille des ouvertures à travers lesquelles passe la vapeur doit s'accroître d'un étage à l'autre. Dans la conception pratique des turbines, cet accroissement est réalisé en allongeant les ailettes d'un étage à l'autre, en augmentant le diamètre du tambour ou de la roue sur lesquels sont montées les ailettes, et en ajoutant deux ou plusieurs sections de turbine en parallèle. Par conséquent, une petite turbine industrielle peut avoir une forme plus ou moins conique, avec son plus petit diamètre côté haute pression, ou admission, et son diamètre le plus large côté basse pression, ou échappement. Une grosse turbine destinée à une centrale nucléaire peut avoir quatre rotors se composant d'une section à haute pression à double flux, suivie de trois sections à basse pression à double flux. 3.4.2 Étages spécifiques Les turbines à action utilisent généralement un étage de pression appelé turbine Rateau (du nom de l'ingénieur français Auguste Rateau), dans lequel le taux de compression à chaque étage est pratiquement uniforme. Les anciennes turbines à action utilisaient un étage de vitesse de Curtis, mis au point par l'Américain Charles Gordon Curtis. Cet étage comporte deux jeux d'auges mobiles, avec un jeu intermédiaire d'ailettes fixes à la suite des tuyères. La séparation d'étages d'une turbine à réaction est parfois appelée séparation de Parsons, du nom de son inventeur, le Britannique Charles Parsons. Une turbine à réaction comporte souvent un premier étage à action qui permet le réglage du système ; une turbine à action possède en général dans ses derniers étages un degré de réaction voisin de 50 p. 100. 3.4.3 Rendement L'efficacité de l'expansion dans une turbine à vapeur moderne est élevée en raison de l'état de développement des composants du trajet de la vapeur, et de la capacité à récupérer les pertes d'un étage dans les étages en aval, par réchauffement. Le rendement avec lequel une section de la turbine convertit l'énergie thermodynamique disponible en travail mécanique dépasse généralement 90 p. 100. Le rendement thermodynamique d'une installation thermique est en fait bien inférieur, en raison de l'énergie perdue dans la vapeur d'échappement de la turbine. 3.5 Applications Les turbines à vapeur sont notamment utilisées dans la production d'électricité à partir d'énergie thermique ou pour la propulsion des bateaux. Dans les systèmes de cogénération -- c'est-à-dire utilisant à la fois la chaleur de traitement (celle utilisée lors d'un processus industriel) et l'électricité --, la vapeur est portée à haute pression dans une chaudière, puis extraite de la turbine à la pression et à la température exigées par ce procédé. Dans ce cas, la turbine est dite à contrepression. Les turbines à vapeur peuvent être utilisées en cycles combinés avec un générateur de vapeur qui récupère la chaleur. Les unités industrielles sont utilisées pour entraîner des machines, des pompes, des compresseurs et des générateurs. Leur puissance nominale va de quelques centaines de Watts à plus de 1 300 MW. La turbine à vapeur est parfois associée à une turbine à gaz. Le rendement de la turbine à gaz étant faible, elle est généralement utilisée pour la production d'énergie de pointe, les calories des gaz d'échappement de la turbine à gaz servant à faire fonctionner la chaudière de la turbine à vapeur. 3.6 Avantages par rapport à la turbine hydraulique Le succès de la turbine hydraulique a conduit inévitablement à prendre en considération le principe de la turbine utilisant la vapeur comme source d'énergie. Lorsque le moteur à vapeur à piston emploie la pression de la vapeur, la turbine permet d'atteindre un meilleur rendement en utilisant l'énergie cinétique du flux de vapeur. La turbine peut être d'une conception plus réduite, plus légère et moins onéreuse qu'un moteur à vapeur à piston de puissance comparable. Elle peut également être construite dans des tailles largement supérieures. D'un point de vue mécanique, elle présente l'avantage de produire directement un mouvement rotatif sans avoir à utiliser de vilebrequin ni tout autre système de transformation d'un mouvement de va-et-vient en mouvement rotatif. Dans les applications de cogénération nécessitant à la fois la chaleur de traitement (c'est-à-dire celle utilisée lors d'un processus industriel) et l'électricité, la vapeur est portée à haute pression dans une chaudière et extraite de la turbine à la pression et à la température exigées. 4 TURBINES À GAZ 4.1 Fonctionnement Elles utilisent un écoulement gazeux pour produire de l'énergie mécanique à partir d'énergie calorifique. La turbine est alimentée en gaz par combustion de carburants. Des tuyères fixes dirigent les jets de gaz sur les aubes d'un rotor. La force ainsi exercée sur ces dernières met en rotation l'arbre de la machine. Une turbine à gaz à simple cycle contient un compresseur : l'air est comprimé dans une chambre de combustion. Le carburant est pulvérisé sous forme gazeuse ou liquide dans la chambre, où se produit la combustion. Les produits de combustion passent par des tuyères de la chambre au rotor, qui actionne le compresseur. Dans une turbine ou dans un compresseur, la rangée d'aubes fixes et la rangée correspondante d'aubes mobiles solidaires d'un rotor forment un étage. Les grosses machines utilisent des compresseurs à plusieurs étages à flux axial, ainsi que des turbines. Dans les dispositions à arbres multiples, les étages de la turbine de tête motorisent le compresseur au moyen d'un premier arbre, les étages suivants motorisent le générateur externe par l'intermédiaire d'un autre arbre. 4.2 Rendement Il est difficile d'assurer un fonctionnement continu à haute température dans la chambre de combustion et dans les premiers étages de la turbine. Pour cette raison, le rendement d'une turbine à gaz est limité. Une petite turbine à gaz, à simple cycle, a un rendement thermodynamique relativement bas, comparable à celui d'un moteur conventionnel à essence. Des matériaux résistants à la chaleur, des revêtements améliorés et des dispositifs de refroidissement ont permis d'obtenir, sur de grosses unités à simple cycle, des rendements de 34 p. 100. On peut augmenter le rendement des turbines à gaz au moyen de dispositifs auxiliaires, comme les échangeurs, les régénérateurs et les réchauffeurs. Cependant, leur coût est élevé et l'amélioration qu'ils apportent ne justifie généralement pas leur utilisation. Dans une installation à cycle combiné, la quantité considérable de chaleur résiduelle est transmise à une chaudière. La chaleur ainsi récupérée sert à approvisionner en vapeur une turbine à vapeur couplée. Le rendement d'une telle installation est supérieur d'approximativement 50 p. 100 à celui de la turbine à gaz seule. Des turbines à cycle combiné, avec des rendements thermiques d'au moins 52 p. 100, seront bientôt en service. 4.3 Applications On utilise les turbines à gaz pour la propulsion des navires et des trains. Le turboréacteur, variante de la turbine à gaz, est utilisé pour la propulsion des aéronefs. Les turbines à gaz de grande puissance, à simple cycle ou à cycle combiné, occupent une place importante dans la production industrielle de l'électricité, dans certains pays européens et aux États-Unis. Certaines installations fournissent des puissances supérieures à 200 MW. La puissance produite par les turbines à cycle combiné peut dépasser 300 MW. Voir aussi Propulsion à réaction ; Hydroélectricité ; Hydraulique, énergie ; Électricité, production et distribution de l'. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.