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Turbine

Une turbine est un dispositif rotatif convertissant partiellement l'énergie interne d'un fluide, liquide (comme l'eau) ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion), en énergie mécanique au moyen d'aubes disposées sur un arbre tournant à grande vitesse.

Schéma de principe d'un groupe turbine-alternateur.

L'énergie entrante du fluide est caractérisée notamment par sa vitesse, sa pression, son enthalpie. L'énergie mécanique sortante de la turbine entraîne un autre mécanisme rotatif comme un alternateur, un compresseur, une pompe ou tout autre récepteur (exemple un générateur). L'ensemble est alors respectivement appelé turbo-alternateur, turbocompresseur, turbopompe, etc.

Turbine Ă  vapeur

Dessin d'une turbine à vapeur inventée par Charles Algernon Parsons en 1887.
Le Turbinia, lancé en 1897, fut le premier navire à turbine à vapeur.

Principes généraux de fonctionnement

La turbine à vapeur est un moteur à combustion externe fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide moteur, qui est en général de la vapeur d'eau, généralement chauffée par la combustion de charbon ou de fioul[1].

Ce cycle comprend au moins les Ă©tapes suivantes :

  • l’eau est mise en pression par une pompe pour ĂŞtre envoyĂ©e vers la chaudière ;
  • l’eau est chauffĂ©e, vaporisĂ©e et surchauffĂ©e.

Dès que cette vapeur doit être utilisée, elle effectue les étapes suivantes :

Le fluide utilisé est donc le même que celui de la machine à vapeur à pistons, mais la turbine en constitue une évolution exploitant les principaux avantages des turbomachines, à savoir une puissance massique et une puissance volumique élevées, et un rendement amélioré par la multiplication des étages de détente.

La turbine à vapeur est l’aboutissement d’un type de machines thermiques introduit par les machines à vapeur à piston. Les contraintes inhérentes à leur conception restreignent généralement leur usage à l'industrie. Dans ce cas on obtient de l'électricité bon marché car l'énergie thermique n'est pas « gaspillée » dans un condenseur. Ces turbines sont appelées « turbines à contre-pression » et on les rencontre, en particulier, dans les sucreries, entre autres, de cannes à sucre, où le combustible est gratuit et surabondant, à savoir la bagasse, qui est le résidu de l'écrasement de la canne à sucre dont on a extrait le sucre.

RĂ©alisation pratique

Un technicien installe une aube sur un rotor de turbine Ă  vapeur
Mise en place d'une aube sur un rotor de turbine Ă  vapeur.

Une turbine est constituée d’un rotor comprenant un arbre sur lequel sont fixées des aubes et, d’un stator constitué d’un carter portant des déflecteurs fixes, généralement constitué de deux parties assemblées selon un plan axial. Elle comprend en outre un tore d’admission segmenté et un divergent d’échappement dirigé vers le condenseur. La fonction des déflecteurs fixes est d’assurer tout ou partie de la détente en formant un réseau de tuyères et de modifier la direction de l’écoulement sortant de l’étage précédent.

Une turbine Ă  vapeur comprend un ou plusieurs Ă©tages assurant chacun deux fonctions :

  • la dĂ©tente de la vapeur qui correspond Ă  la conversion de l’énergie potentielle de pression en Ă©nergie cinĂ©tique ;
  • la conversion de l’énergie cinĂ©tique en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles.

Les turbines à vapeur se classent en deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine :

  1. Les turbines à action dans lesquelles la détente se fait uniquement dans les aubages fixes. Elles sont bien adaptées aux étages à forte pression et se prêtent mieux à la régulation de débit. Leur construction est plus coûteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine ;
  2. Les turbines à réaction dans lesquelles la détente est répartie entre les aubages fixes et mobiles. Le degré de réaction est défini par la répartition de la détente entre les aubages. Elles se prêtent mieux aux étages à basse pression et leur coût est plus faible. Lorsque le degré de réaction d'un étage est de 50 %, la forme des aubages fixes et mobiles est la même ce qui diminue le nombre de moules nécessaires à la fabrication. Par contre pour réaliser la même détente, la turbine à réaction demandera plus d'étages, ce qui augmente la longueur de la ligne d'arbre.

La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement alliés (Cr-Ni-V) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur), voire l'utilisation de superalliage à base Ni. Les deux premières contraintes limitent le diamètre et donc le débit admissible aux derniers étages. Ainsi des aubes de plus d’un mètre de longueur posent déjà de sérieux problèmes de réalisation. De plus, l’hétérogénéité radiale des vitesses impose une incidence variable de l’aube qui présente alors une forme gauche dont l’usinage est complexe et dont les contraintes mécaniques limitent la bonne tenue.

En pratique la tempĂ©rature est limitĂ©e Ă  550 Ă  580 °C et le maximum mis en Ĺ“uvre est de 650 °C. La pression est de l’ordre de 180 bars et atteint 250 bars pour les installations supercritiques.

De ce fait, les turbines de forte puissance comprennent généralement sur un même axe (disposition tandem compound) une turbine haute pression et deux ou trois turbines basse pression avec soutirages.

Il est ainsi possible d’atteindre des puissances de plus de 1 000 MW avec un rendement de cycle dĂ©passant lĂ©gèrement 40 %.

À l’autre extrémité, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de kilowatts. Elles comprennent généralement un seul étage et servent à l’entraînement de machines dans l’industrie ou sur des navires. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptées à des usages industriels spécifiques (à soutirage, à contrepression, etc.).

Mais il existe également de nombreuses petites turbines équipant les turbocompresseurs des véhicules. Les plus petites turbines étant certainement les Turbines dentaires.

Avantages et inconvénients

Le principal avantage des turbines à vapeur est d’être un moteur à combustion externe. De ce fait, tous les combustibles (gaz, fioul, charbon, déchets, chaleur résiduelle) et notamment les moins chers peuvent être utilisés pour l’alimenter en vapeur. Le chauffage peut même se faire par énergie solaire. Le rendement peut atteindre des valeurs assez élevées d’où des frais de fonctionnement réduits.

Par contre, le coĂ»t et la complexitĂ© des installations les rĂ©servent le plus souvent Ă  des installations de puissance Ă©levĂ©e pour bĂ©nĂ©ficier d’économies d’échelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines Ă  gaz sont mieux adaptĂ©s en dessous d’environ 10 MW.

Le refroidissement du condenseur nécessite de plus un important débit d’eau ou des aéroréfrigérants encombrants ce qui limite d’emblée leur domaine d’emploi aux installations fixes ou navales.

Dans les pays nordiques, mais aussi dans certaines grandes agglomérations françaises (Paris, Lyon, Nantes…), on utilise régulièrement la chaleur résiduelle pour réaliser un réseau de chauffage (voir Cogénération). Les conduits acheminent de l'eau chauffée de 80 à 90 °C dans les communes en proximité de centrale et les particuliers ou les entreprises peuvent se connecter à ce réseau pour chauffer les bâtiments.

Rendement

Le rendement croît avec la pression de la vapeur et avec la température de surchauffe. Cependant, l’augmentation de ces caractéristiques est limitée par la teneur en liquide de la vapeur en fin de détente. En effet, la courbe de détente peut atteindre la courbe de saturation avec formation de gouttelettes qui nuisent à l’efficacité des derniers étages de détente mais aussi à sa tenue Mécanique. La teneur en eau liquide du mélange doit être limitée à 15 ou 30 %[3]. In fine, c’est la pression dans le condenseur qui fixe, de ce fait, les pressions et températures limites, admissibles.

Comme n'importe quel autre cycle thermodynamique, le Cycle de Rankine mis en œuvre par les turbines à vapeur est inférieur au cycle de Carnot, et des améliorations ont donc été imaginées pour tendre vers celui-ci. Ainsi, le réchauffage de l’eau, entre le condenseur et la chaudière, par de la vapeur soutirée à différents étages de la turbine, permet de faire tendre la phase de chauffage isobare vers une transformation équivalente sur le plan thermodynamique à une isotherme. L’efficacité du dispositif mais également son coût croissent avec le nombre d’étages de soutirage et d’échangeurs associés ; de ce fait, le nombre d'étages dépasse rarement sept unités. Le gain de rendement est de l’ordre de 5 %. Ce dispositif impose de plus l’installation d’un réchauffeur d’air sur la chaudière.

D’autre part, afin de permettre d’augmenter la pression et la température malgré le problème de l’humidité en fin de détente, il est possible de renvoyer la vapeur détendue jusqu’à la pression de vapeur saturante vers la chaudière pour procéder à une resurchauffe dans un échangeur de chaleur supplémentaire. Ces étapes peuvent être multipliées pour faire tendre la phase de surchauffe vers une isotherme et donc de s’approcher d’un cycle de Carnot. Dans la pratique, les installations comprennent généralement une seule resurchauffe. Le gain de rendement peut atteindre 5 %.

Le cycle comprend fondamentalement deux changements d’état (Ă©vaporation et condensation). Le diagramme de phases de l’eau permet d’envisager un cycle Ă  un seul changement d’état par l’utilisation d’une chaudière supercritique. En effet, au-delĂ  du point critique (environ 220 bars et 350 °C) ne se produit plus de changement d’état et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus ĂŞtre distinguĂ©es. Les cycles supercritiques nĂ©cessitent gĂ©nĂ©ralement une double resurchauffe pour limiter l’humiditĂ© en fin de cycle. Le gain de rendement est encore de 2 Ă  3 % et se justifie plus facilement avec le renchĂ©rissement des combustibles.

Production d'électricité

Du fait de leurs caractĂ©ristiques, les turbines Ă  vapeur sont très employĂ©es dans les centrales thermiques de moyenne et forte puissance, y compris nuclĂ©aires. Dans la gamme de puissance de 1 Ă  10 MW environ, elles sont utilisĂ©es dans les applications de cogĂ©nĂ©ration (incinĂ©rateur de dĂ©chets et chauffage urbain, process industriel). Il faut Ă©galement signaler leur usage dans les cycles combinĂ©s oĂą elles permettent d'amĂ©liorer le rendement global en gĂ©nĂ©rant de l'Ă©lectricitĂ© grâce Ă  la chaleur d’échappement des turbines Ă  gaz.

Les turbines à vapeur sont également employées dans le domaine de la propulsion maritime, notamment pour les plus gros vaisseaux (pétroliers, porte-avions et sous-marins nucléaires) mais sont de plus en plus souvent remplacées par des moteurs diesel ou des turbines à gaz. La fonction d’entraînement de machines est également en voie de disparition au profit des moteurs électriques.

Elles n’ont à ce jour trouvé aucune application dans la propulsion routière ou ferroviaire hormis quelques tentatives avortées.

Spécificité des cycles nucléaires

Le cycle Ă  vapeur des centrales nuclĂ©aires est particulier. En effet, dans les rĂ©acteurs Ă  eau sous pression (REP) actuellement très rĂ©pandus, la chaleur issue de la fission est Ă©vacuĂ©e du cĹ“ur par un circuit primaire d’eau surchauffĂ©e Ă  environ 150 bars et 300 °C. Cette chaleur produit de la vapeur saturĂ©e dans le circuit secondaire. En sortie d’étage haute pression, la vapeur subit un sĂ©chage (sĂ©paration des gouttelettes liquides) et une surchauffe modĂ©rĂ©e (par de la vapeur en sortie du gĂ©nĂ©rateur de vapeur). Du fait de la tempĂ©rature limitĂ©e de la source chaude, et donc de la vapeur crĂ©Ă©e, le rendement du cycle reste faible Ă  environ 30 %. Les centrales nuclĂ©aires ont des groupes turbo-alternateur très puissants pouvant atteindre 1 450 MW.

L’amélioration du rendement est au cœur des réflexions sur la conception des réacteurs de 4e génération. Elle a également conduit à la réalisation d’autres types de réacteurs que les REP dans les premiers temps de l’énergie nucléaire (UNGG, CANDU, etc.) avec d’autres fluides caloporteurs notamment. Cependant, la sûreté et la fiabilité des REP les rendent actuellement incontournables.

Turbine Ă  gaz de combustion

Une turbine à gaz, appelée aussi plus correctement turbine à combustion (TAC), est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique grâce à la rotation d'un arbre, doté d'ailettes, qui sont mises en mouvement grâce à l’énergie cinétique générée par le mouvement du gaz lié à la combustion rapide du carburant avec l'air issu du compresseur.

AĂ©ronautique

Les turbines à gaz sont un élément fondamental de l'aviation :

Turbine hydraulique

Turbine hydraulique de type Francis.

Cette turbine, inventée par Benoît Fourneyron[4], est actionnée par l'écoulement de l'eau. Lorsqu'elle est installée en aval d'un barrage hydroélectrique elle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité. Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau (turbine Francis), la vitesse de l'eau (turbine Pelton) ou encore un gros débit (type groupe bulbe ou turbine Kaplan). Ces turbines sont utilisées selon la hauteur de chute du barrage.

Les turbines hydrauliques se distinguent principalement des moulins à eau par leur immersion complète et permanente dans le courant, ce qui accroit beaucoup leur rendement[5].

Réduction ou suppression des effets négatifs pour l'environnement

La législation environnementale américaine impose aux centrales hydroélectriques de réduire la mortalité des poissons qui traversent les turbines. Pour cela le Laboratoire national de l'Idaho a mis en place un programme « Hydropower »[6] de développement de turbines « vertes » à technologies avancée (Advanced Turbine Systems et Advanced Technology Turbines, ou ATT), avec comme objectif de maximiser l’utilisation des ressources hydroélectriques « en améliorant ses avantages techniques, sociétaux et environnementaux » tout en réduisant ses coûts et autant que techniquement possible les effets sur l’environnement. Ce programme visait à faire chuter les blessures et la mortalité de poissons traversant les turbines à 2 % ou moins, contre 5 à 10 % pour les meilleures turbines existant au début du programme et contre 30 % voire plus pour les autres turbines[7]. Ce laboratoire s'est ainsi spécialisé dans la modélisation des effets des centrales sur les poissons, notamment grâce à une « sonde-poisson » (une sorte de simulacre de poisson contenant des capteurs mesurant les contraintes subies lors du passage dans différents types de turbines, sous diverses conditions de vitesse de turbine, de courant d’eau et de pression[8]). Le labo conduit parallèlement des tests in situ sur la survie cumulée des salmonidés ou anguilles passant par de multiples turbines. Les retours d’expérience alimentent les études de configuration de nouveaux types de turbines visant à supprimer les impacts des turbines sur les poissons, et produire de l'électricité sur des chutes de moindre hauteur.

Ainsi des modèles de « fish-friendly turbines » ont Ă©tĂ© proposĂ©s en 2000-2005, avec 83 Ă  93 % de survie après 96 heures pour les truites arc-en-ciel, 90 Ă  100 % de survie pour les autres espèces selon ALDEN en 2009[9] - [10] - [11] - [12] (et testĂ© en 2006), dit « très basse chute » (VLH®2) et « ichtyophile®2 », qui prĂ©sente comme avantage de fortement diminuer le besoin en gĂ©nie civil et donc les coĂ»ts de travaux, pour une efficacitĂ© qui permet d’équiper des très basses chutes (2 Ă  3 m) ; tout en permettant le passage des poissons sans dommage Ă  travers la turbine (anguilles notamment) grâce Ă  une conception intĂ©grant les rĂ©sultats d'Ă©tudes de compatibilitĂ© des turbines avec la vie des poissons, faites par l'U.S. Army Corps of Engineers, publiĂ©s en 1995[13]. Le premier prototype de turbine VLH construit en France l'a Ă©tĂ© en (sur le Tarn, au Moulin de Troussy Ă  Millau)[14] - [15]. Les prises d'eau de ces turbines peuvent en outre aussi ĂŞtre Ă©quipĂ©es de dispositifs dits d'ichtyocompatibilitĂ© (par exemple en France testĂ© Ă  Navarrenx sur le Gave d'Oloron) et amĂ©liorĂ©s avec l'ONEMA[16] - [17]. (Larinier, ThĂ©venet, & Travade, 2008)[18], et une Ă©chelle Ă  poissons peut leur ĂŞtre associĂ©e pour faciliter la remontĂ©e (comme sur la centrale de Saint-GĂ©ry (MW) dans le Lot, rĂ©novĂ©e en 2015[19]). Dans les pires conditions les impacts en termes de mortalitĂ© immĂ©diate et/ou diffĂ©rĂ©e sont divisĂ©s par 2 Ă  3 par rapport Ă  une turbine Kaplan classique fonctionnant dans les mĂŞmes conditions. Les anguilles sont les plus vulnĂ©rables en raison de leur longueur et parce que c’est le plus souvent en sortie de turbine qu'elles sont potentiellement tuĂ©es[20].

Turbine Ă  air

Une turbine à air est un système d'ailette où l'air comprimé vient se détendre et prendre de la vitesse. L'énergie développée par cette turbine est liée à l'équation :

oĂą :

  • : masse d'air dĂ©placĂ©e ;
  • : vitesse de l'air dĂ©placĂ©e.

Ce genre de turbine est utilisée, entre autres, dans des outils tels que les visseuses ou les perceuses à air comprimé.

Notes et références

Notes

    Références

    1. DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger et Ernst-Rudolf Schramek, GĂ©nie climatique - 5e Ă©d., Dunod, (ISBN 978-2-10-070451-4, lire en ligne)
    2. Joseph Martin et Pierre Wauters, Installations thermiques motrices: Analyse énergétique et exergétique – deuxième édition revue, Presses univ. de Louvain, (ISBN 978-2-87463-264-8, lire en ligne)
    3. Turbines a Fluide Compressible, Ed. Techniques Ingénieur (lire en ligne)
    4. Benoit Fourneyron inventeur de la turbine, Le Monde, 4 octobre 2011
    5. Florence HACHEZ-LEROY, « Fourneyron Benoit : Théoricien de la turbine et industriel », sur universalis.fr (consulté le )
    6. Idaho National Laboratory ; présentation du programme Hydropower (la version consultées est celle mise à jour le
    7. Présentation du projet Hydropower Advanced Turbine Systems, par le Laboratoire national de l'Idaho
    8. (en)[PDF] Advanced Sensor Fish Device for Improved Turbine Design, note du Pacific Northwest National Laboratory, avec le soutien de l'U.S. Department of Energy Advanced Hydropower Turbine System Program
    9. ALDEN. (2009). Hydroelectric Turbines Design. ,Lire en ligne, Consulté le avril 5, 2009
    10. (en) ALSTOM (2009) The fish-friendly turbine : Lire en ligne, sur ALSTOM Hydro Power (consulté le 2 avril 2009).
    11. Cada G.F (2001), The Development of Advanced Hydroelectric Turbines to Improve Fish Passage Survival ; Fisheries, Bioengineering feature ; septembre 2001, 26 (9), pp. 14-23.
    12. (en) Drummond D (2004) Hydropower Gets Greener with Fish-Friendly Turbines From Voith Siemens Hydro Power Generation, 29 mars 2004. , Lire en ligne, Consulté le mars 27, 2009
    13. Timothée Besse (2009) « Turbines ichtyophiles et dispositifs d’évitement pour les anguilles en avalaison » ; Tableau de Bord Anguille du Bassin Loire (LOGRAMI) 6 avril 2009 , voir chap4.2 et v p11/20 et suivantes)
    14. MJ2 Technologies. (2009). Lancement de la gamme industrielle VLH. (M. Technologies, Éd.) Turbines de très basse chute, Very Low Head Turbines, Lettre d'information no 8, février 2009 , p. 1-2.
    15. Loiseau, F., Davidson, R. A., Coutson, M., & Sabourin, M. (2006). Fish Environment & New turbines design. ALSTOM Power Hydro
    16. Larinier, M., Thévenet, R., & Travade, F. (2008). Anguilles et ouvrages, Programme R&D 2008-2009. (ONEMA, Éd.)
    17. ONEMA (2008) Les producteurs d’hydroélectricité signent avec l’Onema et l’Ademe un accord-cadre de Recherche et Développement. Communiqué de Presse, 8 décembre 2008 (2p.)
    18. Timothée Besse (2009) « Turbines ichtyophiles et dispositifs d’évitement pour les anguilles en avalaison » ; Tableau de Bord Anguille du Bassin Loire (LOGRAMI) (voir légende de la fig 11) ; voir p 9/20
    19. Marie-Jo Sader, Accords et désaccords autour de la petite hydroélectricité, sur actu-environnement.com du 15 juin 2015.
    20. Timothée Besse (2009) « Turbines ichtyophiles et dispositifs d’évitement pour les anguilles en avalaison » ; Tableau de Bord Anguille du Bassin Loire (LOGRAMI) (voir légende de la fig 11).

    Voir aussi

    Bibliographie

    • Alain Schrambach, « Moteurs autres que les roues hydrauliques », Moulins de France, numĂ©ro spĂ©cial « Les Moulins no 23 », , Éd. FFAM

    Articles connexes

    Liens externes

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