Turbine à vapeur

Une turbine à vapeur est une machine qui extrait l’énergie thermique de la vapeur sous pression et l’utilise pour effectuer un travail mécanique sur un arbre de sortie en rotation, éventuellement en utilisant une source de chaleur d’énergie renouvelable . Sa manifestation moderne a été inventée par Charles Parsons en 1884. ^{[1] [2]} La fabrication d’une turbine à vapeur moderne implique un Travail du métal avancé pour former des alliages d’acier de haute qualité en pièces de précision en utilisant des technologies qui sont devenues disponibles pour la première fois au 20e siècle ; les progrès continus en matière de durabilité et d’efficacité des turbines à vapeur restent au cœur de l’ économie de l’énergiedu 21ème siècle.

Le rotor d’une turbine à vapeur moderne utilisée dans une Centrale électrique

La turbine à vapeur est une forme de moteur thermique qui tire une grande partie de son amélioration de l’Efficacité thermodynamique de l’utilisation de plusieurs étapes dans l’expansion de la vapeur, ce qui se traduit par une approche plus proche du processus d’expansion réversible idéal. Parce que la turbine génère un Mouvement rotatif , elle est particulièrement adaptée pour être utilisée pour entraîner un générateur électrique – environ 85% de toute la production d’électricité aux États-Unis en 2014 était à l’aide de turbines à vapeur. ^[3] Une turbine à vapeur reliée à un générateur électrique est appelée turbogénérateur .

À partir de 2021, parmi les plus grandes turbines à vapeur au monde se trouvent les turbines à vapeur Arabelle fabriquées par GE sur la base d’une conception originale d’ Alstom . ^[4] Une turbine Arabelle mesure 7 m de diamètre, pèse 4 000 tonnes et tourne à 1 500 tr/min. Dans une installation nucléaire typique, 4 000 tonnes supplémentaires de structure de support en acier sont nécessaires, ainsi que 1 000 tonnes de pompes, vannes et tuyaux. ^[4]

Les problèmes techniques incluent le déséquilibre du rotor , les vibrations , l’ usure des roulements et la dilatation inégale (diverses formes de choc thermique ). Dans les grandes installations, même la turbine la plus robuste est capable de s’ébranler lorsqu’elle fonctionne hors d’équilibre.

Histoire

Une turbine à vapeur industrielle de 250 kW de 1910 (à droite) directement reliée à un alternateur (à gauche)

Le premier appareil pouvant être classé comme une turbine à vapeur à réaction n’était guère plus qu’un jouet, le classique Aeolipile , décrit au 1er siècle par Hero d’Alexandrie dans l’Égypte romaine . ^{[5] [6]} En 1551, Taqi al-Din en Égypte ottomane a décrit une turbine à vapeur avec l’application pratique de faire tourner une broche . Les turbines à vapeur ont également été décrites par l’Italien Giovanni Branca (1629) ^[7] et John Wilkins en Angleterre (1648). ^{[8] [9]} Les appareils décrits par Taqi al-Din et Wilkins sont aujourd’hui connus sous le nom de vérins à vapeur. En 1672, une voiture à turbine à impulsion a été conçue par Ferdinand Verbiest . Une version plus moderne de cette voiture a été produite à la fin du XVIIIe siècle par un mécanicien allemand inconnu. En 1775, à Soho , James Watt conçoit une Turbine à réaction qui y est mise en service. ^[10] En 1807, Polikarp Zalesov a conçu et construit une turbine à impulsion, en l’utilisant pour le fonctionnement de la pompe à incendie. ^[11] En 1827, les Français Real et Pichon ont breveté et construit une turbine à impulsion composée. ^[12]

La turbine à vapeur moderne a été inventée en 1884 par Charles Parsons , dont le premier modèle était connecté à une dynamo qui produisait 7,5 kilowatts (10,1 ch) d’électricité. ^[13] L’invention de la turbine à vapeur de Parsons a rendu l’électricité bon marché et abondante possible et a révolutionné le transport maritime et la guerre navale. ^[14] La conception de Parsons était un type de réaction . Son brevet a été licencié et la turbine a été mise à l’échelle peu de temps après par un Américain, George Westinghouse .. La turbine Parsons s’est également avérée facile à mettre à l’échelle. Parsons a eu la satisfaction de voir son invention adoptée pour toutes les grandes centrales électriques mondiales, et la taille des générateurs est passée de ses premiers 7,5 kilowatts (10,1 ch) à des unités d’une capacité de 50 000 kilowatts (67 000 ch). Au cours de la vie de Parsons, la capacité de production d’une unité a été augmentée d’environ 10 000 fois, ^[15] et la production totale des turbo-générateurs construits par sa société CA Parsons and Company et par leurs titulaires, à des fins terrestres uniquement, avait dépassé trente millions de chevaux. ^[13]

D’autres variantes de turbines ont été développées qui fonctionnent efficacement avec de la vapeur. La turbine de Laval (inventée par Gustaf de Laval ) accélérait la vapeur à pleine vitesse avant de la faire courir contre une aube de turbine. La turbine à impulsion de De Laval est plus simple et moins coûteuse et n’a pas besoin d’être résistante à la pression. Il peut fonctionner avec n’importe quelle pression de vapeur, mais est considérablement moins efficace. ^{[ citation nécessaire ]} Auguste Rateau a développé une turbine à impulsion composée de pression en utilisant le principe de Laval dès 1896, ^[16] a obtenu un brevet américain en 1903 et a appliqué la turbine à un torpilleur français en 1904. Il a enseigné à l’ École des mines de Saint-Étiennependant une décennie jusqu’en 1897, puis fonda une entreprise prospère qui fut intégrée à la société Alstom après sa mort. L’un des fondateurs de la théorie moderne des turbines à vapeur et à gaz était Aurel Stodola , physicien et ingénieur slovaque et professeur à l’Institut polytechnique suisse (aujourd’hui ETH ) de Zurich. Son ouvrage Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (en anglais : The Steam Turbine and its prospective use as a Heat Engine) a été publié à Berlin en 1903. Un autre livre Dampf und Gas-Turbinen (en anglais : Steam and Gas Turbines) a été publié en 1922. ^[17]

La turbine Brown-Curtis , un type à impulsion, qui avait été initialement développée et brevetée par la société américaine International Curtis Marine Turbine Company, a été développée dans les années 1900 en collaboration avec John Brown & Company . Il a été utilisé dans les navires marchands et les navires de guerre à moteur John Brown, y compris les paquebots et les navires de guerre de la Royal Navy.

Fabrication

Une turbine à vapeur sans son capot supérieur

L’industrie de fabrication actuelle des turbines à vapeur se compose des entreprises suivantes :

• Siemens
• WEG
• Mitsubishi KwHI Toshiba IHI
• General Electric
• Turboatome
• Silmash et Oural TW
• BHEL
• Alstom , Doosan Škoda Power , Ansaldo Nevsky Turbine Plant (Nevsky NTW) [ ru ] KTZ Energomash -Atomenergo MAPNA et Toshiba . ^{[18] [ nécessite une mise à jour ]} et des fabricants chinois comme Harbin Electric , Shanghai Electric et Dongfang Electric , entre autres.

Les types

Les turbines à vapeur sont fabriquées dans une variété de tailles allant des petites unités <0,75 kW (<1 hp) (rares) utilisées comme entraînements mécaniques pour les pompes, compresseurs et autres équipements entraînés par arbre, aux turbines de 1 500 MW (2 000 000 hp) utilisées pour produire de l’électricité . Il existe plusieurs classifications pour les turbines à vapeur modernes.

Conception de la lame et de la scène

Schéma de principe décrivant la différence entre une turbine à impulsion et une Turbine à réaction à 50 %

Les aubes de turbine sont de deux types de base, les aubes et les Buses . Les pales se déplacent entièrement sous l’impact de la vapeur sur elles et leurs profils ne convergent pas. Il en résulte une chute de vitesse de la vapeur et pratiquement aucune chute de pression lorsque la vapeur se déplace à travers les pales. Une turbine composée d’aubes alternant avec des tuyères fixes est appelée turbine à impulsion ,Turbine Curtis , turbine Rateau , ou turbine Brown-Curtis . Les Buses ressemblent à des lames, mais leurs profils convergent près de la sortie. Il en résulte une chute de pression de la vapeur et une augmentation de la vitesse à mesure que la vapeur se déplace à travers les Buses. Les Buses bougent en raison à la fois de l’impact de la vapeur sur elles et de la réaction due à la vapeur à grande vitesse à la sortie. Une turbine composée de tuyères mobiles alternant avec des tuyères fixes est appelée Turbine à réaction ou turbine de Parsons .

À l’exception des applications à faible puissance, les aubes de turbine sont disposées en plusieurs étapes en série, appelées compoundage , ce qui améliore considérablement l’ efficacité à basse vitesse. ^[19] Un étage de réaction est une rangée de Buses fixes suivie d’une rangée de Buses mobiles. Plusieurs étages de réaction divisent la chute de pression entre l’entrée et l’échappement de la vapeur en de nombreuses petites gouttes, ce qui donne une turbine à pression composée . Les étages d’impulsion peuvent être composés de pression, de vitesse ou de pression-vitesse. Un étage d’impulsion composé sous pression est une rangée de Buses fixes suivie d’une rangée d’aubes mobiles, avec plusieurs étages pour le mélange. Elle est également connue sous le nom de turbine Rateau, du nom de son inventeur. Une vitesse composéel’étage d’impulsion (inventé par Curtis et également appelé «roue de Curtis») est une rangée de Buses fixes suivie de deux ou plusieurs rangées d’aubes mobiles alternant avec des rangées d’aubes fixes. Cela divise la chute de vitesse à travers la scène en plusieurs baisses plus petites. ^[20] Une série d’étages d’impulsion à vitesse composée est appelée turbine à pression-vitesse composée .

Schéma d’une turbine à vapeur marine AEG vers 1905

En 1905, lorsque les turbines à vapeur ont commencé à être utilisées sur des navires rapides (tels que le HMS Dreadnought ) et dans des applications d’énergie terrestres, il avait été déterminé qu’il était souhaitable d’utiliser une ou plusieurs roues Curtis au début d’un multi-étage. turbine (où la pression de vapeur est la plus élevée), suivie d’étages de réaction. Cela était plus efficace avec de la vapeur à haute pression en raison de la réduction des fuites entre le rotor de la turbine et le carter. ^[21] Ceci est illustré dans le dessin de la turbine à vapeur marine allemande AEG de 1905 . La vapeur des chaudières entre par la droite à haute pression par un étranglement , commandé manuellement par un opérateur (en l’occurrence un matelotconnu sous le nom d’accélérateur). Il traverse cinq roues de Curtis et de nombreux étages de réaction (les petites aubes sur les bords des deux gros rotors au milieu) avant de sortir à basse pression, presque certainement vers un condenseur . Le condenseur fournit un vide qui maximise l’énergie extraite de la vapeur et condense la vapeur en eau d’ alimentation à renvoyer aux chaudières. Sur la gauche se trouvent plusieurs étages de réaction supplémentaires (sur deux grands rotors) qui font tourner la turbine en sens inverse pour un fonctionnement en marche arrière, avec de la vapeur admise par un étranglement séparé. Étant donné que les navires sont rarement exploités en sens inverse, l’efficacité n’est pas une priorité dans les turbines arrière, de sorte que seuls quelques étages sont utilisés pour réduire les coûts.

Défis de conception de lame

L’un des principaux défis de la conception des turbines était de réduire le fluage subi par les aubes. En raison des températures élevées et des contraintes de fonctionnement élevées, les matériaux des turbines à vapeur sont endommagés par ces mécanismes. Au fur et à mesure que les températures augmentent dans le but d’améliorer l’efficacité de la turbine, le fluage devient important. Pour limiter le fluage, des revêtements thermiques et des superalliages avec renforcement en solution solide et renforcement des joints de grains sont utilisés dans les conceptions d’aubes.

Des revêtements protecteurs sont utilisés pour réduire les dommages thermiques et limiter l’Oxydation . Ces revêtements sont souvent des céramiques stabilisées à base de dioxyde de zirconium . L’utilisation d’un revêtement de protection thermique limite l’exposition à la température du superalliage de nickel. Cela réduit les mécanismes de fluage rencontrés dans la lame. Les revêtements d’Oxydation limitent les pertes d’efficacité causées par une accumulation à l’extérieur des aubes, ce qui est particulièrement important dans un environnement à haute température. ^[22]

Les lames à base de nickel sont alliées à de l’aluminium et du titane pour améliorer la résistance et la résistance au fluage. La microstructure de ces alliages est composée de différentes régions de composition. Une dispersion uniforme de la phase gamma-prime – une combinaison de nickel, d’aluminium et de titane – favorise la résistance et la résistance au fluage de la lame grâce à la microstructure. ^[23]

Des éléments réfractaires tels que le rhénium et le ruthénium peuvent être ajoutés à l’alliage pour améliorer la résistance au fluage. L’ajout de ces éléments réduit la diffusion de la phase gamma prime, préservant ainsi la résistance à la fatigue , la résistance mécanique et la résistance au fluage. ^[24]

Conditions d’alimentation et d’évacuation de la vapeur

Une turbine à vapeur basse pression dans une centrale nucléaire. Ces turbines évacuent la vapeur à une pression inférieure à la pression atmosphérique.

Les types de turbines incluent la condensation, la non-condensation, le réchauffage, l’extraction et l’induction.

Turbines à condensation

Les turbines à condensation se trouvent le plus souvent dans les centrales électriques. Ces turbines reçoivent la vapeur d’une chaudière et l’évacuent vers un condenseur . La vapeur évacuée est à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et se trouve dans un état partiellement condensé, typiquement d’une qualité proche de 90 %.

Turbines sans condensation

Les turbines sans condensation sont les plus largement utilisées pour les applications de vapeur de procédé, dans lesquelles la vapeur sera utilisée à des fins supplémentaires après avoir été évacuée de la turbine. La pression d’échappement est contrôlée par une vanne de régulation pour répondre aux besoins de la pression de vapeur du procédé. On les trouve couramment dans les raffineries, les unités de chauffage urbain, les usines de pâtes et papiers et les installations de dessalement où de grandes quantités de vapeur de procédé à basse pression sont nécessaires.

Turbines de réchauffage

Les turbines de réchauffage sont également utilisées presque exclusivement dans les centrales électriques. Dans une turbine de réchauffage, le flux de vapeur sort d’une section haute pression de la turbine et est renvoyé à la chaudière où une surchauffe supplémentaire est ajoutée. La vapeur retourne ensuite dans une section à pression intermédiaire de la turbine et continue sa détente. L’utilisation du réchauffage dans un cycle augmente la production de travail de la turbine et l’expansion se termine avant que la vapeur ne se condense, minimisant ainsi l’érosion des aubes dans les dernières rangées. Dans la plupart des cas, le nombre maximum de réchauffages utilisés dans un cycle est de 2 car le coût de la surchauffe de la vapeur annule l’augmentation de la production de travail de la turbine.

Turbines d’extraction

Les turbines de type extracteur sont courantes dans toutes les applications. Dans une turbine de type extraction, la vapeur est libérée des différents étages de la turbine et utilisée pour les besoins des processus industriels ou envoyée aux réchauffeurs d’eau d’alimentation des chaudières pour améliorer l’efficacité globale du cycle. Les débits d’extraction peuvent être contrôlés avec une vanne, ou laissés non contrôlés. La vapeur extraite entraîne une perte de puissance dans les étages aval de la turbine.

Les turbines à induction introduisent de la vapeur à basse pression à un stade intermédiaire pour produire de l’énergie supplémentaire.

Dispositions de tubage ou d’arbre

Ces agencements comprennent des turbines à carter simple, à composé tandem et à composé croisé. Les unités à carter unique sont le style le plus basique où un carter unique et un arbre sont couplés à un générateur. Les composés tandem sont utilisés lorsque deux boîtiers ou plus sont directement couplés ensemble pour entraîner un seul générateur. Un agencement de turbine à composé croisé comprend deux arbres ou plus non alignés entraînant deux générateurs ou plus qui fonctionnent souvent à des vitesses différentes. Une turbine à composé croisé est généralement utilisée pour de nombreuses applications de grande envergure. Une installation navale typique des années 1930-1960 est illustrée ci-dessous; cela montre des turbines haute et basse pression entraînant un réducteur commun, avec une turbine de croisière à engrenages sur une turbine haute pression.

Disposition des machines à turbine à vapeur tribord des croiseurs japonais de classe Furutaka et Aoba

Rotors à deux flux

Un rotor de turbine à deux flux. La vapeur entre au milieu de l’arbre et sort à chaque extrémité, équilibrant la force axiale.

La vapeur en mouvement imprime à la fois une poussée tangentielle et axiale sur l’arbre de la turbine, mais la poussée axiale dans une turbine simple est sans opposition. Pour maintenir la position et l’équilibrage corrects du rotor, cette force doit être contrecarrée par une force opposée. Des Paliers de butée peuvent être utilisés pour les paliers d’arbre, le rotor peut utiliser des pistons factices, il peut être à double flux – la vapeur entre au milieu de l’arbre et sort aux deux extrémités, ou une combinaison de ceux-ci. Dans un rotor à double flux , les pales de chaque moitié font face à des sens opposés, de sorte que les forces axiales s’opposent mais que les forces tangentielles agissent ensemble. Cette conception de rotor est également appelée à double flux , à double flux axial ou à double échappement.. Cette disposition est courante dans les carters basse pression d’une turbine compound. ^[25]

Principe de fonctionnement et conception

Une turbine à vapeur idéale est considérée comme un processus isentropique , ou processus à entropie constante, dans lequel l’entropie de la vapeur entrant dans la turbine est égale à l’entropie de la vapeur sortant de la turbine. Cependant, aucune turbine à vapeur n’est vraiment isentropique, avec des rendements isentropiques typiques allant de 20 à 90% en fonction de l’application de la turbine. L’intérieur d’une turbine comprend plusieurs jeux d’aubes ou aubes . Un ensemble d’aubes fixes est relié au carter et un ensemble d’aubes rotatives est relié à l’arbre. Les ensembles s’engrènent avec certains dégagements minimaux, la taille et la configuration des ensembles variant pour exploiter efficacement l’expansion de la vapeur à chaque étage.

L’efficacité thermique pratique d’une turbine à vapeur varie en fonction de la taille de la turbine, des conditions de charge, des pertes d’espace et des pertes par frottement. Ils atteignent des valeurs maximales jusqu’à environ 50 % dans une turbine de 1 200 MW (1 600 000 ch) ; les plus petits ont une efficacité moindre. ^{[ la citation nécessaire ]} Pour maximiser l’efficacité de turbine la vapeur est augmentée, en faisant le travail, dans un certain nombre d’étapes. Ces étages sont caractérisés par la façon dont l’énergie en est extraite et sont appelés turbines à impulsion ou à réaction. La plupart des turbines à vapeur utilisent un mélange de conceptions à réaction et à impulsion : chaque étage se comporte comme l’un ou l’autre, mais la turbine globale utilise les deux. En règle générale, les sections à basse pression sont du type à réaction et les étages à haute pression sont du type à impulsion. ^{[ citation nécessaire ]}

Turbines à impulsion

Une sélection d’aubes de turbine à impulsion

Une turbine à impulsion a des Buses fixes qui orientent le flux de vapeur en jets à grande vitesse. Ces jets contiennent une énergie cinétique importante, qui est convertie en rotation de l’arbre par les pales du rotor en forme de godet, lorsque le jet de vapeur change de direction. Une chute de pression se produit uniquement sur les aubes fixes, avec une augmentation nette de la vitesse de la vapeur à travers l’étage. Au fur et à mesure que la vapeur s’écoule à travers la buse, sa pression chute de la pression d’entrée à la pression de sortie (pression atmosphérique ou, plus généralement, le vide du condenseur). En raison de ce taux élevé d’expansion de la vapeur, la vapeur quitte la buse avec une vitesse très élevée. La vapeur quittant les pales mobiles a une grande partie de la vitesse maximale de la vapeur à la sortie de la buse. La perte d’énergie due à cette vitesse de sortie plus élevée est communément appelée vitesse de report ou perte de sortie.

La loi du moment de quantité de mouvement stipule que la somme des moments des forces externes agissant sur un fluide qui occupe temporairement le volume de contrôle est égale à la variation temporelle nette du flux de moment cinétique à travers le volume de contrôle.

Le fluide tourbillonnant entre dans le volume de contrôle au rayon r 1 {displaystyle r_{1}} à vitesse tangentielle V w 1 {displaystyle V_{w1}} et part au rayon r 2 {displaystyle r_{2}} à vitesse tangentielle V w 2 {displaystyle V_{w2}} .

Triangle de vitesse

Un triangle de vitesse ouvre la voie à une meilleure compréhension de la relation entre les différentes vitesses. Dans la figure ci-contre nous avons :

V 1 {displaystyle V_{1}} et V 2 {style d’affichage V_{2}} sont respectivement les vitesses absolues à l’entrée et à la sortie. V F 1 {displaystyle V_{f1}} et V F 2 {displaystyle V_{f2}} sont respectivement les vitesses d’écoulement à l’entrée et à la sortie. V w 1 {displaystyle V_{w1}} et V w 2 {displaystyle V_{w2}} sont les vitesses de tourbillon à l’entrée et à la sortie respectivement, dans le référentiel mobile. V r 1 {displaystyle V_{r1}} et V r 2 {displaystyle V_{r2}} sont respectivement les vitesses relatives à l’entrée et à la sortie. tu 1 {displaystyle U_{1}} et tu 2 {displaystyle U_{2}} sont les vitesses de la pale à l’entrée et à la sortie respectivement. α {displaystylealpha} est l’angle des aubes directrices et β {displaystyle bêta} est l’angle de la lame.

Alors par la loi du moment de la quantité de mouvement, le moment de torsion sur le fluide est donné par :

J = m ̇ ( r 2 V w 2 − r 1 V w 1 ) {displaystyle T={dot {m}}left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}right)}

Pour une turbine à vapeur à impulsion : r 2 = r 1 = r {displaystyle r_{2}=r_{1}=r} . Par conséquent, la force tangentielle sur les pales est F u = m ̇ ( V w 1 − V w 2 ) {displaystyle F_{u}={dot {m}}left(V_{w1}-V_{w2}right)} . Le travail effectué par unité de temps ou de puissance développée : W = T ω {displaystyle W=Tomega } .

Lorsque ω est la vitesse angulaire de la turbine, alors la vitesse des pales est U = ω r {displaystyle U=omega r} . La puissance développée est alors W = m ̇ U ( Δ V w ) {displaystyle W={point {m}}U(Delta V_{w})} .

Efficacité de la lame

Efficacité de la lame ( η b {displaystyle {eta _{b}}} ) peut être défini comme le rapport entre le travail effectué sur les pales et l’énergie cinétique fournie au fluide, et est donné par

η b = W o r k D o n e K i n e t i c E n e r g y S u p p l i e d = U Δ V w V 1 2 {displaystyle eta _{b}={frac {mathrm {Work~Done} }{mathrm {Kinetic~Energy~Supplied}}}={frac {UDelta V_{w}}{{V_ {1}}^{2}}}} Efficacité de la scène Buse convergente-divergente Graphique illustrant l’efficacité de la turbine à impulsion

Un étage d’une turbine à impulsion se compose d’un jeu de tuyères et d’une roue mobile. L’efficacité de l’étage définit une relation entre la chute d’enthalpie dans la buse et le travail effectué dans l’étage.

η s t a g e = W o r k d o n e o n b l a d e E n e r g y s u p p l i e d p e r s t a g e = U Δ V w Δ h {displaystyle {eta _{mathrm {étape}}}={frac {mathrm {Travail~fait~sur~lame} }{mathrm {Énergie~fournie~par~étape}}}={frac {UDelta V_{w}}{Delta h}}}

Où Δ h = h 2 − h 1 {displaystyle Delta h=h_{2}-h_{1}} est la chute d’enthalpie spécifique de la vapeur dans la tuyère.

Par la première loi de la thermodynamique :

h 1 + 1 2 V 1 2 = h 2 + 1 2 V 2 2 {displaystyle h_{1}+{frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{frac {1}{2}}{V_{2}} ^{2}}

En admettant que V 1 {displaystyle V_{1}} est sensiblement inférieur à V 2 {style d’affichage V_{2}} , on a Δ h ≈ 1 2 V 2 2 {displaystyle {Delta h}approx {frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}} . De plus, l’efficacité de l’étage est le produit de l’efficacité de la lame et de l’efficacité de la buse, ou η stage = η b η N {displaystyle eta _{text{stage}}=eta _{b}eta _{N}} .

L’efficacité de la buse est donnée par η N = V 2 2 2 ( h 1 − h 2 ) {displaystyle eta _{N}={frac {{V_{2}}^{2}}{2left(h_{1}-h_{2}right)}}} , où l’enthalpie (en J/Kg) de la vapeur à l’entrée de la tuyère est h 1 {displaystyle h_{1}} et l’enthalpie de la vapeur à la sortie de la tuyère est h 2 {displaystyle h_{2}} .

Δ V w = V w 1 − ( − V w 2 ) = V w 1 + V w 2 = V r 1 cos ⁡ β 1 + V r 2 cos ⁡ β 2 = V r 1 cos ⁡ β 1 ( 1 + V r 2 cos ⁡ β 2 V r 1 cos ⁡ β 1 ) {displaystyle {begin{aligned}Delta V_{w}&=V_{w1}-left(-V_{w2}right)\&=V_{w1}+V_{w2}\&= V_{r1}cos beta _{1}+V_{r2}cos beta _{2}\&=V_{r1}cos beta _{1}left(1+{frac { V_{r2}cos beta _{2}}{V_{r1}cos beta _{1}}}right)end{aligned}}}

Le rapport des cosinus des angles des pales à la sortie et à l’entrée peut être pris et noté c = cos ⁡ β 2 cos ⁡ β 1 {displaystyle c={frac {cos beta _{2}}{cos beta _{1}}}} . Le rapport des vitesses de vapeur par rapport à la vitesse du rotor à la sortie à l’entrée de la pale est défini par le coefficient de frottement k = V r 2 V r 1 {displaystyle k={frac {V_{r2}}{V_{r1}}}} .

k < 1 {displaystyle k<1} et représente la perte de vitesse relative due au frottement lorsque la vapeur s’écoule autour des aubes ( k = 1 {displaystyle k=1} pour les lames lisses).

η b = 2 U Δ V w V 1 2 = 2 U V 1 ( cos ⁡ α 1 − U V 1 ) ( 1 + k c ) {displaystyle eta _{b}={frac {2UDelta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={frac {2U}{V_{1}}} gauche(cos alpha _{1}-{frac {U}{V_{1}}}droite)(1+kc)}

Le rapport de la vitesse de la pale à la vitesse absolue de la vapeur à l’entrée est appelé le rapport de la vitesse de la pale ρ = U V 1 {displaystyle rho ={frac {U}{V_{1}}}} .

η b {displaystyle eta _{b}} est maximale lorsque d η b d ρ = 0 {displaystyle {frac {deta _{b}}{drho }}=0} ou alors, d d ρ ( 2 cos ⁡ α 1 − ρ 2 ( 1 + k c ) ) = 0 {displaystyle {frac {d}{drho }}left(2{cos alpha _{1}-rho ^{2}}(1+kc)right)=0} . Cela implique ρ = 1 2 cos ⁡ α 1 {displaystyle rho ={frac {1}{2}}cos alpha _{1}} et donc U V 1 = 1 2 cos ⁡ α 1 {displaystyle {frac {U}{V_{1}}}={frac {1}{2}}cos alpha _{1}} . À présent ρ o p t = U V 1 = 1 2 cos ⁡ α 1 {displaystyle rho _{opt}={frac {U}{V_{1}}}={frac {1}{2}}cos alpha _{1}} (pour une turbine à impulsion à un étage).

Par conséquent, la valeur maximale du rendement de l’étage est obtenue en mettant la valeur de U V 1 = 1 2 cos ⁡ α 1 {displaystyle {frac {U}{V_{1}}}={frac {1}{2}}cos alpha _{1}} dans l’expression de η b {displaystyle eta _{b}} .

On a: η b max = 2 ( ρ cos ⁡ α 1 − ρ 2 ) ( 1 + k c ) = 1 2 cos 2 ⁡ α 1 ( 1 + k c ) {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}=2left(rho cos alpha _{1}-rho ^{2}right)(1+kc)= {frac {1}{2}}cos ^{2}alpha _{1}(1+kc)} .

Pour les lames équiangulaires, β 1 = β 2 {displaystyle beta _{1}=beta _{2}} , Donc c = 1 {displaystyle c=1} , et on obtient η b max = 1 2 cos 2 ⁡ α 1 ( 1 + k ) {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}={frac {1}{2}}cos ^{2}alpha _{1}(1+k)} . Si le frottement dû à la surface de la lame est négligé alors η b max = cos 2 ⁡ α 1 {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}=cos ^{2}alpha _{1}} .

Conclusions sur l’efficacité maximale η b max = cos 2 ⁡ α 1 {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}=cos ^{2}alpha _{1}}

1. Pour une vitesse de vapeur donnée, le travail effectué par kg de vapeur serait maximum lorsque cos 2 ⁡ α 1 = 1 {displaystylecos ^{2}alpha _{1}=1} ou alors α 1 = 0 {style d’affichage alpha _{1}=0} .
2. Comme α 1 {style d’affichage alpha _{1}} augmente, le travail effectué sur les lames diminue, mais en même temps la surface de la lame diminue, donc il y a moins de pertes par frottement.

Turbines à réaction

Dans la Turbine à réaction , les pales du rotor elles – mêmes sont agencées pour former des tuyères convergentes . Ce type de turbine utilise la force de réaction produite lorsque la vapeur accélère à travers les Buses formées par le rotor. La vapeur est dirigée sur le rotor par les aubes fixes du stator. Il quitte le stator sous forme de jet qui remplit toute la circonférence du rotor. La vapeur change alors de direction et augmente sa vitesse par rapport à la vitesse des pales. Une chute de pression se produit à la fois dans le stator et le rotor, la vapeur accélérant à travers le stator et décélérant à travers le rotor, sans changement net de la vitesse de la vapeur à travers l’étage mais avec une diminution à la fois de la pression et de la température, reflétant le travail effectué dans le entraînement du rotor.

Efficacité de la lame

Apport d’énergie aux pales d’un étage :

E = Δ h {displaystyle E=Delta h} est égale à l’énergie cinétique fournie aux pales fixes (f) + l’énergie cinétique fournie aux pales mobiles (m).

Ou alors, E {displaystyle E} = chute d’enthalpie sur les pales fixes, Δ h f {displaystyle Delta h_{f}} + chute d’enthalpie sur les pales mobiles, Δ h m {displaystyle Delta h_{m}} .

L’effet de la détente de la vapeur sur les aubes mobiles est d’augmenter la vitesse relative à la sortie. Par conséquent, la vitesse relative à la sortie V r 2 {displaystyle V_{r2}} est toujours supérieure à la vitesse relative à l’entrée V r 1 {displaystyle V_{r1}} .

En termes de vitesses, la chute d’enthalpie sur les pales mobiles est donnée par :

Δ h m = V r 2 2 − V r 1 2 2 {displaystyle Delta h_{m}={frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}

(il contribue à un changement de pression statique)

Diagramme de vitesse

La chute d’enthalpie dans les aubes fixes, en supposant que la vitesse de la vapeur entrant dans les aubes fixes est égale à la vitesse de la vapeur sortant des aubes mobiles précédemment, est donnée par :

Δ h f = V 1 2 − V 0 2 2 {displaystyle Delta h_{f}={frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}

où V ₀ est la vitesse d’entrée de la vapeur dans la tuyère

V 0 {style d’affichage V_{0}} est très faible et peut donc être négligé. Donc, Δ h f = V 1 2 2 {displaystyle Delta h_{f}={frac {V_{1}^{2}}{2}}}

E = Δ h f + Δ h m = V 1 2 2 + V r 2 2 − V r 1 2 2 {displaystyle {begin{aligned}E&=Delta h_{f}+Delta h_{m}\&={frac {V_{1}^{2}}{2}}+{frac { V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}end{aligné}}}

Une conception très largement utilisée a un demi- degré de réaction ou une réaction de 50% et c’est ce qu’on appelle la turbine de Parson . Celui-ci se compose d’aubes de rotor et de stator symétriques. Pour cette turbine le triangle des vitesses est similaire et nous avons :

α 1 = β 2 {displaystyle alpha _{1}=beta _{2}} , β 1 = α 2 {displaystyle bêta _{1}=alpha _{2}} V 1 = V r 2 {displaystyle V_{1}=V_{r2}} , V r 1 = V 2 {displaystyle V_{r1}=V_{2}}

En supposant la turbine de Parson et en obtenant toutes les expressions que nous obtenons

E = V 1 2 − V r 1 2 2 {displaystyle E=V_{1}^{2}-{frac {V_{r1}^{2}}{2}}}

Du triangle de vitesse d’entrée, nous avons V r 1 2 = V 1 2 + U 2 − 2 U V 1 cos ⁡ α 1 {displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}cos alpha _{1}}

E = V 1 2 − V 1 2 2 − U 2 2 + 2 U V 1 cos ⁡ α 1 2 = V 1 2 − U 2 + 2 U V 1 cos ⁡ α 1 2 {displaystyle {begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{frac {V_{1}^{2}}{2}}-{frac {U^{2}}{2 }}+{frac {2UV_{1}cos alpha _{1}}{2}}\&={frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1 }cos alpha _{1}}{2}}end{aligné}}}

Travail effectué (pour un débit massique unitaire par seconde) : W = U Δ V w = U ( 2 V 1 cos ⁡ α 1 − U ) {displaystyle W=UDelta V_{w}=Uleft(2V_{1}cos alpha _{1}-Uright)}

Par conséquent, l’ efficacité de la lame est donnée par

η b = 2 U ( 2 V 1 cos ⁡ α 1 − U ) V 1 2 − U 2 + 2 V 1 U cos ⁡ α 1 {displaystyle eta _{b}={frac {2U(2V_{1}cos alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{ 1}Ucosalpha _{1}}}} Condition d’efficacité maximale de la lame Comparaison des rendements des turbines à impulsion et à réaction

Si ρ = U V 1 {displaystyle {rho }={frac {U}{V_{1}}}} , alors

η b max = 2 ρ ( cos ⁡ α 1 − ρ ) V 1 2 − U 2 + 2 U V 1 cos ⁡ α 1 {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}={frac {2rho (cos alpha _{1}-rho )}{V_{1}^{2} -U^{2}+2UV_{1}cos alpha _{1}}}}

Pour une efficacité maximale d η b d ρ = 0 {displaystyle {deta _{b} over drho }=0} , on a

( 1 − ρ 2 + 2 ρ cos ⁡ α 1 ) ( 4 cos ⁡ α 1 − 4 ρ ) − 2 ρ ( 2 cos ⁡ α 1 − ρ ) ( − 2 ρ + 2 cos ⁡ α 1 ) = 0 {displaystyle left(1-rho ^{2}+2rho cos alpha _{1}right)left(4cos alpha _{1}-4rho right)-2 rho left(2cos alpha _{1}-rho right)left(-2rho +2cos alpha _{1}right)=0}

et cela donne finalement ρ o p t = U V 1 = cos ⁡ α 1 {displaystyle rho _{opt}={frac {U}{V_{1}}}=cos alpha _{1}}

Donc, η b max {displaystyle {eta _{b}}_{text{max}}} se trouve en mettant la valeur de ρ = cos ⁡ α 1 {displaystyle rho =cos alpha _{1}} dans l’expression de l’efficacité de la lame

η b reaction = 2 cos 2 ⁡ α 1 1 + cos 2 ⁡ α 1 η b impulse = cos 2 ⁡ α 1 {displaystyle {begin{aligned}{eta _{b}}_{text{reaction}}&={frac {2cos ^{2}alpha _{1}}{1+cos ^{2}alpha _{1}}}\{eta _{b}}_{text{impulsion}}&=cos ^{2}alpha _{1}end{aligned}} }

Opération et maintenance

Une installation de générateur de turbine à vapeur moderne

En raison des pressions élevées utilisées dans les circuits de vapeur et des matériaux utilisés, les turbines à vapeur et leurs enveloppes présentent une inertie thermique élevée . Lors du réchauffement d’une turbine à vapeur pour l’utilisation, les vannes d’arrêt de vapeur principales (après la chaudière) ont une conduite de dérivation pour permettre à la vapeur surchauffée de contourner lentement la vanne et de procéder au chauffage des conduites du système avec la turbine à vapeur. De plus, un Vireur est engagé lorsqu’il n’y a pas de vapeur pour faire tourner lentement la turbine afin d’assurer un chauffage uniforme pour éviter une expansion inégale. Après avoir d’abord fait tourner la turbine par le Vireur, laissant le temps au rotor de prendre un plan droit (pas de courbure), puis le Vireur est désengagé et la vapeur est admise dans la turbine, d’abord vers les pales arrière puis vers les pales avant lentement faire tourner la turbine à 10–15 tr/min (0,17–0,25 Hz) pour réchauffer lentement la turbine. La procédure de préchauffage des grandes turbines à vapeur peut dépasser dix heures. ^[26]

En fonctionnement normal, le déséquilibre du rotor peut entraîner des vibrations qui, en raison des vitesses de rotation élevées, peuvent conduire à la rupture d’une pale du rotor et à travers le carter. Pour réduire ce risque, des efforts considérables sont consacrés à l’équilibrage de la turbine. De plus, les turbines fonctionnent avec de la vapeur de haute qualité : soit de la vapeur surchauffée (sèche) , soit de la vapeur saturée .vapeur avec un taux de siccité élevé. Cela empêche l’impact et l’érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est soufflée sur les pales (transfert d’humidité). De plus, l’eau liquide pénétrant dans les aubes peut endommager les Paliers de butée de l’arbre de turbine. Pour éviter cela, ainsi que des commandes et des déflecteurs dans les chaudières pour assurer une vapeur de haute qualité, des purgeurs de condensat sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine.

Les exigences de maintenance des turbines à vapeur modernes sont simples et entraînent de faibles coûts (généralement environ 0,005 USD par kWh) ; ^[26] leur durée de vie dépasse souvent 50 ans. ^[26]

Régulation de la vitesse

Schéma d’un système de générateur de turbine à vapeur

Le contrôle d’une turbine avec un régulateur est essentiel, car les turbines doivent être démarrées lentement pour éviter tout dommage et certaines applications (telles que la production d’électricité en courant alternatif) nécessitent un contrôle précis de la vitesse. ^[27] Une accélération incontrôlée du rotor de la turbine peut entraîner un déclenchement en survitesse, ce qui provoque la fermeture du régulateur et des vannes d’étranglement qui contrôlent le débit de vapeur vers la turbine. Si ces vannes tombent en panne, la turbine peut continuer à accélérer jusqu’à ce qu’elle se brise, souvent de manière catastrophique. Les turbines sont coûteuses à fabriquer, nécessitant une fabrication de précision et des matériaux de qualité spéciale.

Pendant le fonctionnement normal en synchronisation avec le réseau électrique, les centrales électriques sont régies par un contrôle de la vitesse de statisme de cinq pour cent . Cela signifie que la vitesse à pleine charge est de 100 % et la vitesse à vide est de 105 %. Ceci est nécessaire pour le fonctionnement stable du réseau sans recherche ni décrochage des centrales électriques. Normalement, les changements de vitesse sont mineurs. Les ajustements de la puissance de sortie sont effectués en augmentant lentement la courbe de statisme en augmentant la pression du ressort sur un régulateur centrifuge . En règle générale, il s’agit d’une exigence système de base pour toutes les centrales électriques, car les centrales plus anciennes et plus récentes doivent être compatibles en réponse aux changements instantanés de fréquence sans dépendre de la communication extérieure. ^[28]

Thermodynamique des turbines à vapeur

Diagramme Ts d’un cycle de Rankine Surchauffé

La turbine à vapeur fonctionne selon les principes de base de la thermodynamique en utilisant la partie 3-4 du cycle de Rankine illustrée dans le schéma ci-joint. Surchaufféla vapeur (ou la vapeur saturée sèche, selon l’application) sort de la chaudière à haute température et haute pression. A l’entrée de la turbine, la vapeur acquiert de l’énergie cinétique en traversant une tuyère (une tuyère fixe dans une turbine à impulsion ou les aubes fixes dans une Turbine à réaction). Lorsque la vapeur quitte la tuyère, elle se déplace à grande vitesse vers les aubes du rotor de la turbine. Une force est créée sur les pales en raison de la pression de la vapeur sur les pales les faisant bouger. Un générateur ou un autre dispositif similaire peut être placé sur l’arbre, et l’énergie qui était dans la vapeur peut maintenant être stockée et utilisée. La vapeur quitte la turbine sous forme de vapeur saturée (ou de mélange liquide-vapeur selon l’application) à une température et une pression inférieures à celles avec lesquelles elle est entrée et est envoyée au condenseur pour être refroidie.^[29] La première loi nous permet de trouver une formule pour le taux auquel le travail est développé par unité de masse. En supposant qu’il n’y a pas de transfert de chaleur vers le milieu environnant et que les changements d’énergie cinétique et potentielle sont négligeables par rapport au changement d’ enthalpie spécifique, nous arrivons à l’équation suivante

W ̇ m ̇ = h 3 − h 4 {displaystyle {frac {dot {W}}{dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}

où

• Ẇ est le taux auquel le travail est développé par unité de temps
• ṁ est le débit massique à travers la turbine

Efficacité isentropique

Pour mesurer les performances d’une turbine, nous pouvons examiner son efficacité isentropique . Cela compare les performances réelles de la turbine avec les performances qui seraient atteintes par une turbine isentropique idéale. ^[30] Lors du calcul de cette efficacité, la chaleur perdue dans l’environnement est supposée être nulle. La pression et la température de démarrage de la vapeur sont les mêmes pour les turbines réelles et idéales, mais à la sortie de la turbine, le contenu énergétique de la vapeur (“enthalpie spécifique”) pour la turbine réelle est supérieur à celui de la turbine idéale en raison de l’irréversibilité dans la turbine réelle . L’enthalpie spécifique est évaluée à la même pression de vapeur pour les turbines réelles et idéales afin de donner une bonne comparaison entre les deux.

Le rendement isentropique est trouvé en divisant le travail réel par le travail idéal. ^[30]

η t = h 3 − h 4 h 3 − h 4 s {displaystyle eta _{t}={frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}}

où

• h ₃ est l’enthalpie spécifique à l’état trois
• h ₄ est l’enthalpie spécifique à l’état 4 pour la turbine réelle
• h _4s est l’enthalpie spécifique à l’état 4s pour la turbine isentropique

(mais notez que le schéma ci-contre ne montre pas l’état 4s : il est verticalement en dessous de l’état 3)

Entraînement direct

Une turbine à vapeur de 5 MW à entraînement direct

Les centrales électriques utilisent de grandes turbines à vapeur entraînant des générateurs électriques pour produire la majeure partie (environ 80 %) de l’électricité mondiale. L’avènement des grandes turbines à vapeur a rendu pratique la production d’électricité dans les centrales, car les moteurs à vapeur alternatifs de grande puissance sont devenus très volumineux et fonctionnaient à des vitesses lentes. La plupart des centrales sont des centrales électriques à combustible fossile et des centrales nucléaires ; certaines installations utilisent de la vapeur géothermique ou utilisent de l’énergie solaire concentrée (CSP) pour créer de la vapeur. Les turbines à vapeur peuvent également être utilisées directement pour entraîner de grosses pompes centrifuges , telles que les pompes d’ eau d’ alimentation d ‘ une centrale thermique .

Les turbines utilisées pour la production d’énergie électrique sont le plus souvent directement couplées à leurs générateurs. Comme les générateurs doivent tourner à des vitesses synchrones constantes en fonction de la fréquence du système d’alimentation électrique, les vitesses les plus courantes sont de 3 000 tr/min pour les systèmes à 50 Hz et de 3 600 tr/min pour les systèmes à 60 Hz. Étant donné que les réacteurs nucléaires ont des limites de température inférieures à celles des centrales à combustible fossile, avec une qualité de vapeur inférieure , les groupes turbo-alternateurs peuvent être agencés pour fonctionner à la moitié de ces vitesses, mais avec des générateurs à quatre pôles, afin de réduire l’érosion des aubes de turbine. ^[31]

Propulsion marine

Turbinia , 1894, le premier navire à turbine à vapeur Turbines haute et basse pression pour le SS Maui Turbine Parsons du destroyer polonais Wicher de 1928

Dans les navires à vapeur , les avantages des turbines à vapeur par rapport aux moteurs alternatifs sont une taille plus petite, un entretien réduit, un poids plus léger et des vibrations plus faibles. Une turbine à vapeur n’est efficace que lorsqu’elle fonctionne à des milliers de tr/min, tandis que les conceptions d’hélices les plus efficaces sont pour des vitesses inférieures à 300 tr/min ; par conséquent, des engrenages de réduction précis (donc coûteux) sont généralement nécessaires, bien que de nombreux premiers navires de la Première Guerre mondiale , tels que Turbinia , aient un entraînement direct des turbines à vapeur aux arbres porte-hélices. Une autre alternative est la transmission turbo-électrique, dans lequel un générateur électrique entraîné par la turbine à grande vitesse est utilisé pour entraîner un ou plusieurs moteurs électriques à faible vitesse reliés aux arbres porte-hélices ; la coupe d’engrenages de précision peut être un goulot d’étranglement de la production en temps de guerre. L’entraînement turbo-électrique était le plus utilisé dans les grands navires de guerre américains conçus pendant la Première Guerre mondiale et dans certains paquebots rapides, et a été utilisé dans certains transports de troupes et escortes de destroyers de production de masse pendant la Seconde Guerre mondiale .

Le coût plus élevé des turbines et des engrenages ou groupes électrogènes/moteurs associés est compensé par des besoins d’entretien moindres et la taille plus petite d’une turbine par rapport à un moteur alternatif de puissance égale, bien que les coûts de carburant soient plus élevés que ceux d’un moteur diesel car les turbines à vapeur ont un rendement thermique inférieur. Pour réduire les coûts de carburant, l’efficacité thermique des deux types de moteurs a été améliorée au fil des ans.

Développement précoce

Le développement de la propulsion marine par turbine à vapeur de 1894 à 1935 a été dominé par la nécessité de concilier le haut régime efficace de la turbine avec le faible régime efficace (moins de 300 tr/min) de l’hélice du navire à un coût global compétitif par rapport aux moteurs à pistons . En 1894, les réducteurs efficaces n’étaient pas disponibles pour les puissances élevées requises par les navires, un entraînement direct était donc nécessaire. À Turbinia, qui a un entraînement direct sur chaque arbre d’hélice, la vitesse efficace de la turbine a été réduite après les premiers essais en dirigeant le flux de vapeur à travers les trois turbines à entraînement direct (une sur chaque arbre) en série, totalisant probablement environ 200 étages de turbine fonctionnant en série . De plus, il y avait trois hélices sur chaque arbre pour un fonctionnement à grande vitesse. ^[32] Les vitesses d’arbre élevées de l’époque sont représentées par l’un des premiers destroyers américains à turbine , l’ USS Smith , lancé en 1909, qui avait des turbines à entraînement direct et dont les trois arbres tournaient à 724 tr/min à 28,35 nœuds (52,50 km/ h ; 52,62 km/h). ^[33]

L’utilisation de turbines dans plusieurs carters évacuant de la vapeur les unes vers les autres en série est devenue la norme dans la plupart des applications de propulsion marine ultérieures, et est une forme de mélange croisé . La première turbine s’appelait la turbine haute pression (HP), la dernière turbine était la turbine basse pression (BP) et toute turbine intermédiaire était une turbine à pression intermédiaire (IP). Un arrangement beaucoup plus tardif que Turbinia peut être vu sur RMS Queen Mary à Long Beach, Californie , lancé en 1934, dans lequel chaque arbre est alimenté par quatre turbines en série reliées aux extrémités des deux arbres d’entrée d’une boîte de vitesses à simple réduction. Ce sont les turbines HP, 1st IP, 2nd IP et BP.

Machines et engrenages de croisière

La recherche de l’économie était encore plus importante lorsque les vitesses de croisière étaient prises en compte. La vitesse de croisière est d’environ 50 % de la vitesse maximale d’un navire de guerre et de 20 à 25 % de son niveau de puissance maximal. Il s’agirait d’une vitesse utilisée sur les longs trajets lorsqu’une économie de carburant est souhaitée. Bien que cela ait ramené les vitesses de l’hélice à une plage efficace, l’efficacité de la turbine a été considérablement réduite et les premiers navires à turbine avaient de faibles plages de croisière. Une solution qui s’est avérée utile pendant la majeure partie de l’ère de la propulsion par turbine à vapeur était la turbine de croisière. Il s’agissait d’une turbine supplémentaire pour ajouter encore plus d’étages, d’abord attachée directement à un ou plusieurs arbres, s’épuisant vers un étage à mi-chemin le long de la turbine HP, et non utilisée à des vitesses élevées. Lorsque les réducteurs devinrent disponibles vers 1911, certains navires, notamment le cuirassé USS Nevada, les avait sur des turbines de croisière tout en conservant des turbines principales à entraînement direct. Les engrenages réducteurs permettaient aux turbines de fonctionner dans leur plage efficace à une vitesse beaucoup plus élevée que l’arbre, mais étaient coûteux à fabriquer.

Les turbines de croisière ont d’abord concurrencé les moteurs alternatifs pour l’économie de carburant. Un exemple de la rétention des moteurs à pistons sur les navires rapides était le célèbre RMS Olympic de 1911, qui, avec ses sœurs RMS Titanic et HMHS Britannic , avait des moteurs à triple expansion sur les deux arbres extérieurs, tous deux épuisant vers une turbine LP sur l’arbre central. . Après avoir adopté des turbines avec les cuirassés de classe Delaware lancés en 1909, la marine américaine est revenue aux machines à pistons sur les cuirassés de classe New York de 1912, puis est revenue aux turbines sur le Nevada .en 1914. Le penchant persistant pour les machines à mouvement alternatif était dû au fait que la marine américaine n’avait pas prévu de navires capitaux dépassant 21 nœuds (39 km / h; 24 mph) avant la Première Guerre mondiale, de sorte que la vitesse de pointe était moins importante que la croisière économique. Les États-Unis avaient acquis les Philippines et Hawaï en tant que territoires en 1898 et manquaient du réseau mondial de stations de charbon de la Royal Navy britannique . Ainsi, la marine américaine en 1900-1940 avait le plus grand besoin de n’importe quelle nation pour l’économie de carburant, d’autant plus que la perspective d’une guerre avec le Japonest apparu après la Première Guerre mondiale. Ce besoin a été aggravé par le fait que les États-Unis n’ont lancé aucun croiseur de 1908 à 1920, de sorte que les destroyers étaient tenus d’effectuer des missions à longue portée généralement attribuées aux croiseurs. Ainsi, diverses solutions de croisière ont été installées sur les destroyers américains lancés de 1908 à 1916. Ceux-ci comprenaient de petits moteurs alternatifs et des turbines de croisière à engrenages ou non sur un ou deux arbres. Cependant, une fois que les turbines à engrenages complets se sont avérées économiques en coût initial et en carburant, elles ont été rapidement adoptées, avec des turbines de croisière également incluses sur la plupart des navires. À partir de 1915, tous les nouveaux destroyers de la Royal Navy avaient des turbines entièrement équipées, et les États-Unis ont suivi en 1917.

Dans la Royal Navy , la vitesse était une priorité jusqu’à ce que la bataille du Jutland au milieu de 1916 montre que dans les croiseurs de guerre, trop de blindage avait été sacrifié à sa poursuite. Les Britanniques ont utilisé exclusivement des navires de guerre à turbine à partir de 1906. Parce qu’ils ont reconnu qu’une longue autonomie de croisière serait souhaitable compte tenu de leur empire mondial, certains navires de guerre, notamment les cuirassés de la classe Queen Elizabeth , ont été équipés de turbines de croisière à partir de 1912 à la suite d’installations expérimentales antérieures. .

Dans l’US Navy, les destroyers de la classe Mahan , lancés de 1935 à 1936, ont introduit des engrenages à double réduction. Cela a encore augmenté la vitesse de la turbine au-dessus de la vitesse de l’arbre, permettant des turbines plus petites que les engrenages à simple réduction. Les pressions et les températures de vapeur augmentaient également progressivement, passant de 300 psi (2 100 kPa)/425 °F (218 °C) [vapeur saturée] sur la classe Wickes de la Première Guerre mondiale à 615 psi (4 240 kPa)/850 °F ( 454 °C) [vapeur surchauffée] sur certains destroyers de la classe Fletcher de la Seconde Guerre mondiale et des navires ultérieurs. ^{[34] [35]}Une configuration standard a émergé d’une turbine haute pression à flux axial (parfois avec une turbine de croisière attachée) et d’une turbine basse pression à double flux axial reliée à une boîte de vitesses à double réduction. Cet arrangement s’est poursuivi tout au long de l’ère de la vapeur dans la marine américaine et a également été utilisé dans certains modèles de la Royal Navy. ^{[36] [37]} Des machines de cette configuration peuvent être vues sur de nombreux navires de guerre préservés de la Seconde Guerre mondiale dans plusieurs pays. ^[38]

Lorsque la construction des navires de guerre de l’US Navy a repris au début des années 1950, la plupart des combattants de surface et des porte-avions utilisaient de la vapeur de 1 200 psi (8 300 kPa) / 950 ° F (510 ° C). ^[39] Cela a continué jusqu’à la fin de l’ère des navires de guerre à vapeur de l’US Navy avec les frégates de classe Knox du début des années 1970. Les navires amphibies et auxiliaires ont continué à utiliser de la vapeur à 600 psi (4 100 kPa) après la Seconde Guerre mondiale, avec l’ USS Iwo Jima , lancé en 2001, peut-être le dernier navire à vapeur non nucléaire construit pour l’US Navy.

Entraînement turbo-électrique

NS 50 Let Pobedy , un brise-glace nucléaire à propulsion nucléaire-turbo-électrique

La propulsion turbo-électrique a été introduite sur le cuirassé USS New Mexico , lancé en 1917. Au cours des huit années suivantes, la marine américaine a lancé cinq cuirassés turbo-électriques supplémentaires et deux porte-avions (initialement commandés comme croiseurs de bataille de classe Lexington ) . Dix autres navires capitaux turbo-électriques étaient prévus, mais annulés en raison des limites imposées par le traité naval de Washington .

Bien que le Nouveau-Mexique ait été réaménagé avec des turbines à engrenages lors d’un radoub de 1931 à 1933, les navires turbo-électriques restants ont conservé le système tout au long de leur carrière. Ce système utilisait deux grands générateurs à turbine à vapeur pour entraîner un moteur électrique sur chacun des quatre arbres. Le système était initialement moins coûteux que les engrenages de réduction et rendait les navires plus maniables dans le port, les arbres étant capables de s’inverser rapidement et de fournir plus de puissance inverse qu’avec la plupart des systèmes à engrenages.

Certains paquebots ont également été construits avec un entraînement turbo-électrique, tout comme certains transports de troupes et escortes de destroyers de production de masse pendant la Seconde Guerre mondiale . Cependant, lorsque les États-Unis ont conçu les «croiseurs de traité», en commençant par l’ USS Pensacola lancé en 1927, des turbines à engrenages ont été utilisées pour conserver du poids et sont restées utilisées pour tous les navires rapides à vapeur par la suite.

Utilisation actuelle

Depuis les années 1980, les turbines à vapeur ont été remplacées par des turbines à gaz sur les navires rapides et par des moteurs diesel sur d’autres navires ; les exceptions sont les navires et sous-marins à propulsion nucléaire et les transporteurs de GNL . ^[40] Certains navires auxiliaires continuent d’utiliser la propulsion à vapeur.

Dans la marine américaine, la turbine à vapeur à propulsion conventionnelle est toujours utilisée sur tous les navires d’assaut amphibies de la classe Wasp sauf un. La Royal Navy a mis hors service sa dernière classe de navires de guerre de surface à vapeur conventionnels, le quai de plate-forme d’atterrissage de classe Fearless , en 2002, suivi par la marine italienne en 2006 en mettant hors service ses derniers navires de guerre de surface à vapeur conventionnels, les destroyers de classe Audace . En 2013, la Marine française a mis fin à l’ère de la vapeur avec le démantèlement de sa dernière frégate de classe Tourville . Parmi les autres marines de haute mer , la marine russe exploite actuellement des porte- avions à vapeur de la classe Kuznetsov et des destroyers de la classe Sovremenny . La marine indienne exploite actuellement l’INS Vikramaditya , un porte-avions de classe Kiev modifié ; il exploite également trois frégates de classe Brahmapoutre mises en service au début des années 2000. La marine chinoise exploite actuellement des porte- avions à vapeur de classe Kuznetsov , des destroyers de classe Sovremenny ainsi que des destroyers de classe Luda . et le seul destroyer Type 051B . La plupart des autres forces navales ont soit retiré, soit remotorisé leurs navires de guerre à vapeur. Depuis 2020, la marine mexicaine exploite quatre anciennes frégates américaines de classe Knox à vapeur . La marine égyptienne et la marine de la République de Chine exploitent respectivement deux et six anciennes frégates américaines de la classe Knox . La marine équatorienne exploite actuellement deux frégates de classe Condell à vapeur ( frégates de classe Leander modifiées ).

Aujourd’hui, les rendements du cycle des turbines à vapeur de propulsion n’ont pas encore dépassé les 50 %, mais les moteurs diesel dépassent régulièrement les 50 %, en particulier dans les applications marines. ^{[41] [42] [43]} Les centrales électriques diesel ont également des coûts d’exploitation inférieurs puisque moins d’opérateurs sont nécessaires. Ainsi, l’énergie à vapeur conventionnelle est utilisée dans très peu de navires neufs. Une exception concerne les méthaniers qui trouvent souvent plus économique d’utiliser le gaz d’évaporation avec une turbine à vapeur que de le reliquéfier.

Les navires et sous-marins à propulsion nucléaire utilisent un réacteur nucléaire pour créer de la vapeur pour les turbines. L’énergie nucléaire est souvent choisie là où l’énergie diesel ne serait pas pratique (comme dans les applications sous -marines ) ou la logistique du ravitaillement pose des problèmes importants (par exemple, les brise -glaces ). Il a été estimé que le combustible du réacteur pour les sous-marins de la classe Vanguard de la Royal Navy est suffisant pour durer 40 tours du monde – potentiellement suffisant pour toute la durée de vie du navire. La propulsion nucléaire n’a été appliquée qu’à un très petit nombre de navires commerciaux en raison des coûts de maintenance et des contrôles réglementaires requis sur les systèmes nucléaires et les cycles du combustible.

Locomotives

Un moteur de locomotive à turbine à vapeur est une locomotive à vapeur entraînée par une turbine à vapeur. La première locomotive ferroviaire à turbine à vapeur a été construite en 1908 pour l’Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Milan, Italie. En 1924 , Krupp construit la locomotive à turbine à vapeur T18 001, opérationnelle en 1929, pour la Deutsche Reichsbahn .

Les principaux avantages d’une locomotive à turbine à vapeur sont un meilleur équilibre de rotation et un coup de marteau réduit sur la voie. Cependant, un inconvénient est une puissance de sortie moins flexible, de sorte que les locomotives à turbine étaient mieux adaptées aux opérations long-courriers à une puissance de sortie constante. ^[44]

Essai

Les codes de test britanniques, allemands, nationaux et internationaux sont utilisés pour normaliser les procédures et les définitions utilisées pour tester les turbines à vapeur. La sélection du code d’essai à utiliser est un accord entre l’acheteur et le fabricant et a une certaine importance pour la conception de la turbine et des systèmes associés.

Aux États-Unis, l’ ASME a produit plusieurs codes de test de performance sur les turbines à vapeur. Celles-ci incluent ASME PTC 6–2004, Steam Turbines, ASME PTC 6.2-2011, Steam Turbines in Combined Cycles , PTC 6S-1988, Procedures for Routine Performance Test of Steam Turbines. Ces codes de test de performance ASME ont acquis une reconnaissance et une acceptation internationales pour tester les turbines à vapeur. La caractéristique la plus importante et la plus différenciante des codes de test de performance ASME, y compris PTC 6, est que l’incertitude de test de la mesure indique la qualité du test et ne doit pas être utilisée comme tolérance commerciale. ^[45]

Voir également

• Équilibreuse
• Turbine à vapeur de mercure
• Machine à vapeur
• Turbine Tesla

Références

Remarques

1. ^ Stodola 1927 .
2. ^ “Monsieur Charles Algernon Parsons” . Encyclopædia Britannica . nd . Récupéré le 19 septembre 2010 .
3. ^ “Génération de réseau électrique” (PDF) . EIE américaine . Mars 2015.
4. ^ ^{un b} Keller, Tomas (9 octobre 2018). “L’Egypte choisit les plus grandes turbines à vapeur du monde de GE pour sa nouvelle centrale nucléaire” . GE.com . Auto-publié par General Electric . Récupéré le 8 août 2021 .
5. ^ Keyser 1992 , pp. 107-124.
6. ^ O’Connor & Robertson 1999 .
7. ^ Nag 2002 , p. 432–.
8. ^ “Taqi al-Din et la première turbine à vapeur, 1551 après JC” Histoire de la science et de la technologie dans l’Islam . Archivé de l’original le 18 février 2008.
9. ^ Hassan 1976 , p. 34–35.
10. ^ “James Watt” . www.steamindex.com . Archivé de l’original le 6 septembre 2017.
11. ^ Савельев Н., Сибирские механики П. М. Залесов et М. С. Лаунин, Новосибирск. 1953
12. ^ Stodola & Loewenstein 1945 .
13. ^ ^{un b} “La Turbine à Vapeur” . Archivé de l’original le 13 mai 2010 . Récupéré le 10 mai 2009 .
14. ^ “Charles Parsons” . Archivé de l’original le 5 mai 2010 . Récupéré le 10 mai 2009 .
15. ^ Parsons 1911 .
16. ^ Giampaolo 2014 , p. 9.
17. ^ Stodola 2013 .
18. ^ “Biens d’équipement : la Chine perd son éclat” . Archivé de l’original le 23 décembre 2015 . Récupéré le 3 novembre 2015 . {{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
19. ^ Parsons 1911 , p. 7-8.
20. ^ Parsons 1911 , p. 20-22.
21. ^ Parsons 1911 , p. 23-25.
22. ^ Tamarin 2002 , p. 5–.
23. ^ Bhadeshia 2003 .
24. ^ Latief & Kakehi 2013 .
25. ^ ” Turbines à vapeur (Cours n ° M-3006) ” (PDF) . Ingénieur docteur. Archivé (PDF) de l’original le 2 avril 2012 . Récupéré le 22 septembre 2011 .
26. ^ ^{un bc “la Caractérisation} de Technologie : les Turbines de Vapeur” (PDF) . Agence américaine de protection de l’environnement. Décembre 2008. p. 13. Archivé de l’original (PDF) le 18 novembre 2012 . Récupéré le 25 février 2013 .
27. ^ Whitaker 2006 , p. 35.
28. ^ “Baisse de vitesse et génération d’énergie. Note d’application 01302” (pdf). Woodward. 1991.
29. ^ “Turbine à vapeur thermodynamique” . www.roymech.co.uk . Archivé de l’original le 8 janvier 2011.
30. ^ ^{un b} Moran et autres. 2010 .
31. ^ Leyzerovitch 2005 , p. 111.
32. ^ Parsons 1911 , p. 26-31.
33. ^ Friedman 2004 , p. 23–24.
34. ^ “Destroyers de 1 500 tonnes pendant la Seconde Guerre mondiale” . destroyerhistory.org . Archivé de l’original le 5 novembre 2013.
35. ^ Friedman 2004 , p. 472.
36. ^ Bowie 2010 .
37. ^ “Turbines à vapeur” . www.leander-project.homecall.co.uk . Archivé de l’original le 22 novembre 2013.
38. ^ “Association des Navires Navals Historiques” . Archivé de l’original le 22 juin 2013.
39. ^ Friedman 2004 , p. 477.
40. ^ “Mitsubishi Heavy commence la construction du premier méthanier de la série Sayaendo” . Décembre 2012. Archivé de l’original le 7 août 2014.
41. ^ Deckers 2003 , p. 14–15.
42. ^ Leyzerovich 2002 .
43. ^ Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryōji ; Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008). “Approche des moteurs diesel et à gaz à haut rendement” (PDF) . Examen technique . Mitsubishi Industries lourdes . Récupéré le 6 mai 2019 .
44. ^ Streeter 2007 , p. 85.
45. ^ Ponceuses 2004 , p. 292.

Sources

• Bayar, Tildy (31 juillet 2014). “Le marché mondial des turbines à gaz et à vapeur atteindra 43,5 milliards de dollars d’ici 2020” . Ingénierie énergétique internationale.
• Bhadeshia, HKDH (2003). « Superalliages à base de nickel » . Université de Cambridge . Récupéré le 4 septembre 2008 .
• Bowie, David (2010). ” Turbines de croisière des machines de propulsion navale Y-100 ” (PDF) .
• Deckers, Matthias (été 2003). “CFX aide à la conception de la turbine à vapeur la plus efficace au monde” (PDF) . Mise à jour CFX (23). Archivé de l’original (PDF) le 24 octobre 2005.
• Giampaolo, Tony (2014). Principes et pratiques du manuel des turbines à gaz Par Tony Giampaolo : Manuel des turbines à gaz . Conceptions numériques.
• Friedman, Norman (2004). Destroyers américains: une histoire de conception illustrée . Annapolis : Presse de l’Institut naval. ISBN 978-1-55750-442-5.
• Hassan, Ahmad Y (1976). Taqi al-Din et génie mécanique arabe . Institut d’histoire des sciences arabes, Université d’Alep .
• Keyser, Paul (1992). “Un nouveau regard sur la machine à vapeur de Heron”. Archive pour l’histoire des sciences exactes . 44 (2): 107–124. doi : 10.1007/BF00374742 . ISSN 0003-9519 . S2CID 122957344 .
• Latief, Fahamsyah H; Kakehi, Koji (2013). “Effets de la teneur en Re et de l’orientation cristallographique sur le comportement au fluage des superalliages monocristallins à base de Ni aluminisés”. Matériaux & Conception . 49 : 485–492. doi : 10.1016/j.matdes.2013.01.022 . ISSN 0261-3069 .
• Leyzerovich, Alexander S (1er août 2002). “Nouveaux repères pour l’efficacité des turbines à vapeur” . Génie énergétique . Archivé de l’original le 18 septembre 2009 . Récupéré le 12 septembre 2010 .
• Leyzerovitch, Alexandre (2005). Turbines à vapeur humide pour centrales nucléaires . Livres Penn Well. ISBN 978-1-59370-032-4.
• Moran, Michael J; Shapiro, Howard N; Boettner, Daisie D; Bailey, Margaret B (2010). Principes fondamentaux de l’ingénierie thermodynamique . John Wiley et fils. ISBN 978-0-470-49590-2.
• Nag, PK (2002). Génie des centrales électriques . Éducation de Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-043599-5.
• Parsons, Charles A (1911). La turbine à vapeur . La presse de l’Universite de Cambridge.
• O’Connor, JJ; Robertson, EF (1999). “Héron d’Alexandrie” . L’histoire des mathématiques de MacTutor .
• Sanders, William P (2004). Chemin de vapeur de la turbine : conception et fabrication mécaniques . Vol. IIIa. PennWell. ISBN 9781628702989.
• Stodola, A (2013) [1924]. Dampf- und Gasturbinen. Mit einem Anhang über die Aussichten der Wärmekraftmaschinen [ Turbines à vapeur et à gaz : avec une annexe sur l’utilisation prospective comme moteurs thermiques ] (en allemand) (Supplément à la 5e éd.). Springer Verlag. ISBN 978-3-642-50854-7.
• Stodola, Aurel (1927). Turbines à vapeur et à gaz : avec un supplément sur les perspectives du moteur thermique . McGraw-Hill.
• Stodola, Aurel ; Loewenstein, Louis centenaire (1945). Turbines à vapeur et à gaz : avec un supplément sur Les perspectives du moteur thermique . P Smith.
• Streeter, Tony (2007). “Tester la limite”. Magazine de chemin de fer à vapeur (336).
• Tamarin, Y (2002). Revêtements protecteurs pour aubes de turbine . ASM International. ISBN 978-1-61503-070-5.
• Whitaker, Jerry C (2006). Manuel des systèmes d’alimentation en courant alternatif (troisième éd.). Taylor et François. ISBN 978-0-8493-4034-5.

Lectures complémentaires

• Coton, KC (1998). Évaluation et amélioration des performances des turbines à vapeur . Fait de coton.
• Johnston, Ian (2019). “La montée de la turbine Brown-Curtis”. En Jordanie, John (éd.). Navire de guerre 2019 . Oxford : édition d’Osprey. p. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
• Thurston, RH (1878). Une histoire de la croissance de la machine à vapeur . New York : D Appleton and Co.
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (en allemand). Springer Verlag : Berlin, Heidelberg, New York.
• Waliullah, Noushad (2017). “Un aperçu des technologies de l’énergie solaire concentrée (CSP) et de ses opportunités au Bangladesh”. Conférence internationale 2017 sur l’ingénierie électrique, informatique et de la communication (ECCE) . CUET. pp. 844–849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020 . ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID 42153522 .

Liens externes

Wikimedia Commons a des médias liés aux turbines à vapeur .

• Turbines à vapeur: Un livre d’instructions pour le réglage et le fonctionnement des principaux types de cette classe de moteurs principaux par Hubert E Collins
• Construction de turbines à vapeur à Mike’s Engineering Wonders
• Tutoriel : “Vapeur surchauffée”
• Phénomène d’écoulement dans les cavités de disque-stator de turbine à vapeur canalisé par des trous d’équilibrage
• Guide du test d’une turbine à vapeur de 100 KW De Laval avec une introduction sur les principes de conception vers 1920
• Extreme Steam – Variations inhabituelles sur la locomotive à vapeur
• Simulation interactive d’une turbine à vapeur de 350 MW avec chaudière développée par l’Université du Queensland , à Brisbane en Australie
• “Super-Steam … Une histoire incroyable de réalisations” Popular Mechanics , août 1937
• Énergétique Moderne – La Turbine à Vapeur