Généralités sur les turbines à vapeur

Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d’un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d’un arbre. L’énergie de fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entrainer un alternateur, une pompe ou tout autre récepteur mécanique rotatif. L’entrainement le plus courant pour les grandes puissances est la turbine à vapeur. La turbine est généralement prévue pour entrainer directement le turbo-alternateur à sa vitesse synchrone, sans réducteur de vitesse interposé. La puissance unitaire des turbines à vapeur va de quelques mégawatts à environ 1800 MW pour les plus gros groupes nucléaires, au stade actuel du développement.

Définition – Principes généraux de fonctionnement :

Une turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle de thermodynamique dite 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.

Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :
• L’eau liquide est supprimer par une pompe et envoyée vers la chaudière.
• L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée.
• La vapeur se détend dans la turbine en fournissant de l’énergie mécanique.
• La vapeur détendue est condensée au contact de la source froide sous vide partiel.

Le principe est donc le même que celui de la machine à vapeur à pistons, la turbine en constitue une évolution exploitant les principaux analyses des turbo-alternateurs à savoir:
• Puissance massique et puissance volumique élevée.
• Rendement amélioré par la multiplication de l’énergie de détente

Le rendement croit avec la pression de la vapeur et avec la température de surchauffe. Cependant, l’augmentation de ces caractéristiques est limitée par la teneur en eau 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 l’efficacité des derniers étages de détente. La teneur en eau liquide du mélange doit être limitée à 15 ou 20%.

En effet, c’est la pression dans le condenseur qui fixe de ce fait les pressions et température limites admissibles. Ce cycle est intrinsèquement inférieur au cycle théorique idéal de Carnot. Des améliorations ont donc été imaginées pour tendre vers celui-ci. Ainsi le réchauffage de l’eau entre le condenseur et la chaudière par 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. 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 détendu jusqu’à à la saturation vers la chaudière pour procéder à une resurchauffe dans un échangeur 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%.

Réalisation pratique :

Une turbine est constituée d’un rotor comprenant un arbre sur le quel sont fixées des aubes et d’un stator constitué d’un carter portant des déflecteurs fixes, généralement constitués 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 du tuyères et de modifier la direction de l’écoulement sortant de l’étage précédent.

Une turbine à vapeur comprend un ou plusieurs étages assurent chacun deux fonctions:
• La détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l’énergie potentielle en énergie cinétique.
• La conversion de l’énergie cinétique en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles .

Les turbines à vapeurs se classe en deux catégories souvent combinées dans une même machine :

Les turbines à action :
Dans ces turbines la détente se fait uniquement dans l’aubages fixes. Elles sont bien adaptées aux étages à forte pression et se prêtent mieux à la régulation de débit. Leur construction est plus couteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine.

Les turbines à réaction :
Dans les turbines à réaction 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 a basse pression et leurs cout est plus faible.

La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement allies (Cr-Ni-Va) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur). Les deux premières contraintes limitent le diamètre et donc le débit capable des 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 permet alors une forme gauche dont l’usinage est complexe. En pratique la température est limitée à 550 ou 580 °c, la pression de l’arbre 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.
• Plusieurs (2 ou 3) turbines basse pression avec soutirage.
• Il est ainsi possible d’atteindre des puissances de plus de 1000 MW avec un rendement dépassant légèrement 40%.

A l’autre extrémité, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de KW, elles comprennent généralement un seul étage et servent à l’entrainement de machine 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.).

les rotors des turbines à vapeur:

Il y’a plusieurs facteurs qui déterminent le type de construction utilisé pour toute application particulière de rotor de turbine. Les facteurs les plus importants sont les suivant :
• Fonctionnement à long terme.
• Diamètre primitif.
• La vitesse maximale de fonctionnement.
• La température de vapeur.

Bien que les rotors des turbines montrent une grande variété dans la taille physique, le diamètre de roue, le nombre de roues et d’autres dispositifs de construction, ils peuvent être classés dans l’une des trois grandes catégories :

1. Les rotors accumulés :
Sont les rotors dont les roues sont montées sur l’arbre .
2. Les rotors solides (pleins) :
Sont les rotors dans lesquels les roues et l’arbre sont usinées à partir d’une seule pièce intégrante de forge .
3. Les rotors composés (solides et accumulés) :
Sont les rotors dans lesquels certaines roues sont intégrées avec l’arbre et certaines sont montées (fixées) sur l’arbre .