Quelle catégorie principale de machines « produit une puissance continue à partir d'une roue/rotor, généralement avec des aubes, entraînée par un fluide à écoulement rapide » ?
Turbine
* Turbine transsonique. Le flux de gaz dans la plupart des turbines utilisées dans les moteurs à turbine à gaz reste subsonique tout au long du processus de détente. Dans une turbine transsonique, le flux de gaz devient supersonique lorsqu'il sort des aubes directrices de la tuyère, bien que les vitesses en aval deviennent normalement subsoniques. Les turbines transsoniques fonctionnent à un rapport de pression plus élevé que la normale, mais sont généralement moins efficaces et rares. * Turbines contrarotatives. Avec les turbines axiales, un certain avantage en termes d'efficacité peut être obtenu si une turbine en aval tourne dans le sens opposé à une unité en amont. Cependant, cette complication peut s’avérer contre-productive. Une turbine à vapeur contrarotative, généralement connue sous le nom de turbine de Ljungström, a été inventée à l'origine par l'ingénieur suédois Fredrik Ljungström (1875-1964) à Stockholm et, en partenariat avec son frère Birger Ljungström, il a obtenu un brevet en 1894. La conception est essentiellement une turbine radiale à plusieurs étages (ou paire de rotors de turbine « imbriqués ») offrant un grand rendement, une perte de chaleur quatre fois plus importante par étage que dans la turbine à réaction (Parsons), une conception extrêmement compacte et ce type a rencontré un succès particulier dans les centrales électriques à contre-pression . Cependant, contrairement à d'autres conceptions, les grands volumes de vapeur sont difficiles à gérer et seule une combinaison avec des turbines à flux axial (DUREX) permet de construire la turbine pour une puissance supérieure à environ 50 MW. Dans les applications marines, seulement environ 50 unités turboélectriques furent commandées (dont une quantité considérable fut finalement vendue à des usines terrestres) entre 1917 et 1919, et entre 1920 et 1922, quelques unités turbomécaniques peu performantes furent vendues. Seules quelques centrales marines turboélectriques étaient encore utilisées à la fin des années 1960 (ss Ragne, ss Regin), tandis que la plupart des centrales terrestres sont toujours en service en 2010. * Turbine sans stator. Les turbines à plusieurs étages sont dotées d'un ensemble d'aubes directrices d'entrée statiques (c'est-à-dire stationnaires) qui dirigent le flux de gaz sur les pales du rotor en rotation. Dans une turbine sans stator, le flux de gaz sortant d'un rotor en amont heurte un rotor en aval sans qu'un ensemble intermédiaire d'aubes de stator (qui réorganisent les niveaux d'énergie pression/vitesse du flux) soit rencontré. * Turbine en céramique. Les aubes (et aubes) de turbines à haute pression conventionnelles sont fabriquées à partir d'alliages à base de nickel et utilisent souvent des passages de refroidissement par air internes complexes pour empêcher le métal de surchauffer. Ces dernières années, des aubes expérimentales en céramique ont été fabriquées et testées dans des turbines à gaz, en vue d'augmenter les températures d'entrée du rotor et/ou, éventuellement, d'éliminer le refroidissement par air. Les lames en céramique sont plus fragiles que leurs homologues métalliques et comportent un plus grand risque de défaillance catastrophique. Cela a eu tendance à limiter leur utilisation dans les moteurs à réaction et les turbines à gaz aux aubes du stator (stationnaires). * Turbine carénée. De nombreuses pales de rotor de turbine sont dotées d'un carénage au sommet, qui s'emboîte avec celui des pales adjacentes, pour augmenter l'amortissement et ainsi réduire le flottement des pales. Dans les grandes turbines à vapeur terrestres de production d'électricité, le carénage est souvent complété, en particulier dans les longues pales d'une turbine basse pression, par des fils de câblage. Ces fils passent à travers des trous percés dans les pales à des distances appropriées du pied de pale et sont généralement brasés aux pales au point de passage. Les fils de laçage réduisent le flottement des pales dans la partie centrale des pales. L'introduction de fils de laçage réduit considérablement les cas de défaillance des pales dans les turbines de grande taille ou à basse pression. * Turbine sans carénage. La pratique moderne consiste, dans la mesure du possible, à éliminer le carénage du rotor, réduisant ainsi la charge centrifuge sur la pale et les besoins de refroidissement. * Turbines à eau ** Turbine Pelton, un type de turbine à eau à impulsion. ** Turbine Francis, un type de turbine à eau largement utilisé. ** Turbine Kaplan, une variante de la turbine Francis. ** Turbine Turgo, une forme modifiée de la roue Pelton. ** Turbine à flux croisés, également connue sous le nom de turbine Banki-Michell, ou turbine Ossberger.
Une turbine (du latin turbo, vortex, apparenté au grec tyrbē, signifiant « turbulence »), est un dispositif mécanique rotatif qui extrait l'énergie d'un écoulement de fluide et la convertit en travail utile. Une turbine est une turbomachine comportant au moins une pièce mobile appelée ensemble rotor, qui est un arbre ou un tambour auquel sont fixées des pales. Le fluide en mouvement agit sur les pales afin qu'elles se déplacent et transmettent de l'énergie de rotation au rotor. Les premiers exemples de turbines sont les moulins à vent et les roues hydrauliques.
Les turbines à gaz, à vapeur et à eau ont un boîtier autour des pales qui contient et contrôle le fluide de travail. Le mérite de l'invention de la turbine à vapeur est attribué à la fois à l'ingénieur britannique Sir Charles Parsons (1854-1931), pour l'invention de la turbine à réaction, et à l'ingénieur suédois Gustaf de Laval (1845-1913), pour l'invention de la turbine à impulsion. Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l'impulsion dans la même unité, faisant généralement varier le degré de réaction et d'impulsion depuis le pied de pale jusqu'à sa périphérie.
Le mot « turbine » a été inventé en 1822 par l'ingénieur des mines français Claude Burdin à partir du latin turbo, ou vortex, dans une note « Des turbines hydrauliques ou machines rotatives à grande vitesse », qu'il a soumise à l'Académie royale des sciences en 1822. Paris. Benoit Fourneyron, ancien élève de Claude Burdin, a construit la première turbine hydraulique pratique.
Théorie des opérations
Un fluide de travail contient de l’énergie potentielle (hauteur de pression) et de l’énergie cinétique (hauteur de vitesse). Le fluide peut être compressible ou incompressible. Plusieurs principes physiques sont employés par les turbines pour collecter cette énergie :
Les turbines à impulsions modifient la direction d'écoulement d'un fluide ou d'un jet de gaz à grande vitesse. L'impulsion qui en résulte fait tourner la turbine et laisse le fluide s'écouler avec une énergie cinétique diminuée. Il n'y a pas de changement de pression du fluide ou du gaz dans les aubes de la turbine (les aubes mobiles), comme dans le cas d'une turbine à vapeur ou à gaz, toute la chute de pression a lieu dans les aubes fixes (les tuyères). Avant d'atteindre la turbine, la hauteur de pression du fluide est modifiée en hauteur de vitesse en accélérant le fluide avec une buse. Les roues Pelton et les turbines de Laval utilisent exclusivement ce procédé. Les turbines à impulsions ne nécessitent pas de battant de pression autour du rotor puisque le jet de fluide est créé par la buse avant d'atteindre les pales du rotor. La deuxième loi de Newton décrit le transfert d'énergie pour les turbines à impulsion.
Les turbines à réaction développent un couple en réagissant à la pression ou à la masse du gaz ou du fluide. La pression du gaz ou du fluide change lorsqu'il traverse les aubes du rotor de la turbine. Un battant de pression est nécessaire pour contenir le fluide de travail lorsqu'il agit sur le(s) étage(s) de la turbine ou la turbine doit être complètement immergée dans l'écoulement du fluide (comme dans le cas des éoliennes). Le carter contient et dirige le fluide de travail et, pour les turbines hydrauliques, maintient l'aspiration conférée par le tube d'aspiration. Les turbines Francis et la plupart des turbines à vapeur utilisent ce concept. Pour les fluides de travail compressibles, plusieurs étages de turbine sont généralement utilisés pour exploiter efficacement le gaz en expansion. La troisième loi de Newton décrit le transfert d'énergie pour les turbines à réaction.
Dans le cas des turbines à vapeur, telles que celles qui seraient utilisées pour des applications marines ou pour la production d'électricité à terre, une turbine à réaction de type Parsons nécessiterait environ le double du nombre de rangées de pales qu'une turbine à impulsion de type De Laval, pour le même degré de conversion d'énergie thermique. Bien que cela rende la turbine Parsons beaucoup plus longue et plus lourde, le rendement global d'une turbine à réaction est légèrement supérieur à celui d'une turbine à impulsion équivalente pour la même conversion d'énergie thermique.
Dans la pratique, les conceptions de turbines modernes utilisent à la fois les concepts de réaction et d'impulsion à des degrés divers lorsque cela est possible. Les éoliennes utilisent un profil aérodynamique pour générer une réaction de portance du fluide en mouvement et la transmettre au rotor. Les éoliennes tirent également de l'énergie de l'impulsion du vent, en la déviant selon un angle. Les turbines à plusieurs étages peuvent utiliser des aubes à réaction ou à impulsion à haute pression. Les turbines à vapeur étaient traditionnellement plus à impulsion, mais continuent d'évoluer vers des conceptions de réaction similaires à celles utilisées dans les turbines à gaz. À basse pression, le fluide de fonctionnement augmente de volume pour de petites réductions de pression. Dans ces conditions, la pale devient strictement une conception de type réaction avec la base de la pale uniquement à impulsion. La raison est due à l’effet de la vitesse de rotation de chaque pale. À mesure que le volume augmente, la hauteur de la lame augmente et la base de la lame tourne à une vitesse plus lente par rapport à la pointe. Ce changement de vitesse oblige un concepteur à passer d'une impulsion à la base à un style de pointe à haute réaction.
Les méthodes classiques de conception de turbines ont été développées au milieu du XIXe siècle. L'analyse vectorielle a associé l'écoulement du fluide à la forme et à la rotation de la turbine. Des méthodes de calcul graphiques ont été utilisées dans un premier temps. Les formules pour les dimensions de base des pièces de turbine sont bien documentées et une machine très efficace peut être conçue de manière fiable pour toutes les conditions d'écoulement de fluide. Certains calculs sont des formules empiriques ou de type « règle empirique », tandis que d'autres sont basés sur la mécanique classique. Comme pour la plupart des calculs techniques, des hypothèses simplificatrices ont été formulées.
Les triangles de vitesse peuvent être utilisés pour calculer les performances de base d'un étage de turbine. Le gaz sort des aubes directrices de tuyère de turbine stationnaires à la vitesse absolue Va1. Le rotor tourne à la vitesse U. Par rapport au rotor, la vitesse du gaz lorsqu'il frappe l'entrée du rotor est Vr1. Le gaz est tourné par le rotor et sort, par rapport au rotor, à la vitesse Vr2. Cependant, en termes absolus, la vitesse de sortie du rotor est Va2. Les triangles de vitesse sont construits à l'aide de ces différents vecteurs vitesses. Les triangles de vitesse peuvent être construits à n'importe quelle section de l'aube (par exemple : moyeu, pointe, section médiane, etc.), mais sont généralement affichés au rayon moyen de l'étage. La performance moyenne de la scène peut être calculée à partir des triangles de vitesse, à ce rayon, en utilisant l'équation d'Euler :
\Delta h = u\cdot\Delta v_w
Ainsi:
\frac{\Delta h}{T} = \frac{u\cdot\Delta v_w}{T}
où:
\Delta h est la chute d'enthalpie spécifique à travers l'étage
T est la température totale (ou de stagnation) d'entrée de la turbine
u est la vitesse périphérique du rotor de la turbine
\Delta v_w est le changement de vitesse de tourbillon
Le rapport de pression de la turbine est fonction de \frac{\Delta h}{T} et du rendement de la turbine.
La conception moderne des turbines pousse les calculs plus loin. La dynamique numérique des fluides supprime bon nombre des hypothèses simplificatrices utilisées pour dériver les formules classiques et les logiciels informatiques facilitent l'optimisation. Ces outils ont conduit à des améliorations constantes dans la conception des turbines au cours des quarante dernières années.
La principale classification numérique d'une turbine est sa vitesse spécifique. Ce nombre décrit la vitesse de la turbine à son efficacité maximale par rapport à la puissance et au débit. La vitesse spécifique est dérivée de manière indépendante de la taille de la turbine. Compte tenu des conditions d'écoulement du fluide et de la vitesse de sortie de l'arbre souhaitée, la vitesse spécifique peut être calculée et une conception de turbine appropriée sélectionnée.
La vitesse spécifique, ainsi que certaines formules fondamentales, peuvent être utilisées pour adapter de manière fiable une conception existante aux performances connues à une nouvelle taille avec des performances correspondantes.
Les performances hors conception sont normalement affichées sous forme de carte ou de caractéristiques de turbine.
Les types
* Les turbines à vapeur sont utilisées pour la production d'électricité dans les centrales thermiques, telles que les centrales utilisant du charbon, du fioul ou du combustible nucléaire. Ils étaient autrefois utilisés pour entraîner directement des dispositifs mécaniques tels que les hélices des navires (par exemple le Turbinia, le premier bateau à vapeur propulsé par une turbine), mais la plupart de ces applications utilisent désormais des réducteurs ou un étage électrique intermédiaire, où la turbine est utilisée pour générer l'électricité, qui alimente ensuite un moteur électrique connecté à la charge mécanique. Les machines turboélectriques pour navires étaient particulièrement populaires juste avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, principalement en raison du manque d'installations de coupe d'engrenages suffisantes dans les chantiers navals américains et britanniques.
* Les turbines à gaz sont parfois appelées moteurs à turbine. De tels moteurs comportent généralement une admission, un ventilateur, un compresseur, une chambre de combustion et une tuyère (éventuellement d'autres ensembles) en plus d'une ou plusieurs turbines.
* Turbine transsonique. Le flux de gaz dans la plupart des turbines utilisées dans les moteurs à turbine à gaz reste subsonique tout au long du processus de détente. Dans une turbine transsonique, le flux de gaz devient supersonique lorsqu'il sort des aubes directrices de la tuyère, bien que les vitesses en aval deviennent normalement subsoniques. Les turbines transsoniques fonctionnent à un rapport de pression plus élevé que la normale, mais sont généralement moins efficaces et rares.
* Turbines contrarotatives. Avec les turbines axiales, un certain avantage en termes d'efficacité peut être obtenu si une turbine en aval tourne dans le sens opposé à une unité en amont. Cependant, cette complication peut s’avérer contre-productive. Une turbine à vapeur contrarotative, généralement connue sous le nom de turbine de Ljungström, a été inventée à l'origine par l'ingénieur suédois Fredrik Ljungström (1875-1964) à Stockholm et, en partenariat avec son frère Birger Ljungström, il a obtenu un brevet en 1894. La conception est essentiellement une turbine radiale à plusieurs étages (ou paire de rotors de turbine « imbriqués ») offrant un grand rendement, une perte de chaleur quatre fois plus importante par étage que dans la turbine à réaction (Parsons), une conception extrêmement compacte et ce type a rencontré un succès particulier dans les centrales électriques à contre-pression . Cependant, contrairement à d'autres conceptions, les grands volumes de vapeur sont difficiles à gérer et seule une combinaison avec des turbines à flux axial (DUREX) permet de construire la turbine pour une puissance supérieure à environ 50 MW. Dans les applications marines, seulement environ 50 unités turboélectriques furent commandées (dont une quantité considérable fut finalement vendue à des usines terrestres) entre 1917 et 1919, et entre 1920 et 1922, quelques unités turbomécaniques peu performantes furent vendues. Seules quelques centrales marines turboélectriques étaient encore utilisées à la fin des années 1960 (ss Ragne, ss Regin), tandis que la plupart des centrales terrestres sont toujours en service en 2010.
* Turbine sans stator. Les turbines à plusieurs étages sont dotées d'un ensemble d'aubes directrices d'entrée statiques (c'est-à-dire stationnaires) qui dirigent le flux de gaz sur les pales du rotor en rotation. Dans une turbine sans stator, le flux de gaz sortant d'un rotor en amont heurte un rotor en aval sans qu'un ensemble intermédiaire d'aubes de stator (qui réorganisent les niveaux d'énergie pression/vitesse du flux) soit rencontré.
* Turbine en céramique. Les aubes (et aubes) de turbines à haute pression conventionnelles sont fabriquées à partir d'alliages à base de nickel et utilisent souvent des passages de refroidissement par air internes complexes pour empêcher le métal de surchauffer. Ces dernières années, des aubes expérimentales en céramique ont été fabriquées et testées dans des turbines à gaz, en vue d'augmenter les températures d'entrée du rotor et/ou, éventuellement, d'éliminer le refroidissement par air. Les lames en céramique sont plus fragiles que leurs homologues métalliques et comportent un plus grand risque de défaillance catastrophique. Cela a eu tendance à limiter leur utilisation dans les moteurs à réaction et les turbines à gaz aux aubes du stator (stationnaires).
* Turbine carénée. De nombreuses pales de rotor de turbine sont dotées d'un carénage au sommet, qui s'emboîte avec celui des pales adjacentes, pour augmenter l'amortissement et ainsi réduire le flottement des pales. Dans les grandes turbines à vapeur terrestres de production d'électricité, le carénage est souvent complété, en particulier dans les longues pales d'une turbine basse pression, par des fils de câblage. Ces fils passent à travers des trous percés dans les pales à des distances appropriées du pied de pale et sont généralement brasés aux pales au point de passage. Les fils de laçage réduisent le flottement des pales dans la partie centrale des pales. L'introduction de fils de laçage réduit considérablement les cas de défaillance des pales dans les turbines de grande taille ou à basse pression.
* Turbine sans carénage. La pratique moderne consiste, dans la mesure du possible, à éliminer le carénage du rotor, réduisant ainsi la charge centrifuge sur la pale et les besoins de refroidissement.
* La turbine sans pales utilise l'effet de couche limite et non un fluide venant frapper les pales comme dans une turbine conventionnelle.
* Turbines à eau
** Turbine Pelton, un type de turbine à eau à impulsion.
** Turbine Francis, un type de turbine à eau largement utilisé.
** Turbine Kaplan, une variante de la turbine Francis.
** Turbine Turgo, une forme modifiée de la roue Pelton.
** Turbine à flux croisés, également connue sous le nom de turbine Banki-Michell, ou turbine Ossberger.
* Éolienne. Ceux-ci fonctionnent normalement comme un seul étage sans buse ni aubes directrices inter-étages. Une exception est l'Éolienne Bollée, qui possède un stator et un rotor.
* Composé de vitesse "Curtis". Curtis a combiné la turbine de Laval et Parsons en utilisant un ensemble de buses fixes sur le premier étage ou stator, puis un rang de rangées de pales fixes et rotatives, comme dans la Parsons ou de Laval, généralement jusqu'à dix contre jusqu'à une centaine. étapes d'une conception Parsons. L'efficacité globale d'une conception Curtis est inférieure à celle des conceptions Parsons ou de Laval, mais elle peut fonctionner de manière satisfaisante sur une plage de vitesses beaucoup plus large, y compris un fonctionnement réussi à faibles vitesses et à des pressions plus faibles, ce qui la rend idéale pour utilisation dans la centrale électrique des navires. Dans un agencement Curtis, la totalité de la chute de chaleur dans la vapeur a lieu dans la rangée de buses initiale et les rangées de pales mobiles suivantes ainsi que les rangées de pales fixes changent simplement la direction de la vapeur. L'utilisation d'une petite section d'un agencement Curtis, généralement une section de buse et deux ou trois rangées de pales mobiles, est généralement appelée « roue » de Curtis et, sous cette forme, le Curtis a été largement utilisé en mer comme « étage directeur » sur de nombreuses turbines et ensembles de turbines à réaction et à impulsion. Cette pratique est encore courante aujourd’hui dans les centrales à vapeur marines.
* Impulsion multi-étages composée sous pression, ou "Rateau", du nom de son inventeur français, :fr:Auguste Rateau. Le Rateau utilise de simples rotors à impulsion séparés par un diaphragme de buse. Le diaphragme est essentiellement une cloison de séparation dans la turbine avec une série de tunnels creusés à l'intérieur, en forme d'entonnoir dont l'extrémité large fait face à l'étage précédent et l'étroite à l'étage suivant. Ils sont également inclinés pour diriger les jets de vapeur sur le rotor d'impulsion.
*Les turbines à vapeur de mercure utilisaient le mercure comme fluide de travail pour améliorer l'efficacité des centrales électriques à combustible fossile. Bien que quelques centrales électriques aient été construites avec des turbines à vapeur de mercure combinées à des turbines à vapeur conventionnelles, la toxicité du mercure métallique est rapidement apparue.
Les usages
Presque toute l’énergie électrique sur Terre est générée par un type de turbine. Les turbines à vapeur à très haut rendement captent environ 40 % de l’énergie thermique, le reste étant évacué sous forme de chaleur résiduelle.
La plupart des moteurs à réaction s'appuient sur des turbines pour fournir un travail mécanique à partir de leur fluide de travail et de leur carburant, comme le font tous les navires et centrales nucléaires.
Les turbines font souvent partie d’une machine plus grande. Une turbine à gaz, par exemple, peut faire référence à une machine à combustion interne qui contient une turbine, des conduits, un compresseur, une chambre de combustion, un échangeur de chaleur, un ventilateur et (dans le cas d'une machine conçue pour produire de l'électricité) un alternateur. Les turbines à combustion et les turbines à vapeur peuvent être connectées à des machines telles que des pompes et des compresseurs, ou peuvent être utilisées pour la propulsion des navires, généralement via une boîte de vitesses intermédiaire pour réduire la vitesse de rotation.
Les moteurs à pistons alternatifs tels que les moteurs d'avion peuvent utiliser une turbine alimentée par leur échappement pour entraîner un compresseur d'air d'admission, une configuration connue sous le nom de turbocompresseur (compresseur de turbine) ou, familièrement, un « turbo ».
Les turbines peuvent avoir une densité de puissance très élevée (c'est-à-dire le rapport puissance/poids ou puissance/volume). Cela est dû à leur capacité à fonctionner à des vitesses très élevées. Les moteurs principaux de la navette spatiale utilisaient des turbopompes (machines constituées d'une pompe entraînée par un turbomoteur) pour alimenter les propulseurs (oxygène liquide et hydrogène liquide) dans la chambre de combustion du moteur. La turbopompe à hydrogène liquide est légèrement plus grosse qu'un moteur d'automobile (pesant environ 700 lb) et produit près de 70 000 ch (52,2 MW).
Les turbodétendeurs sont largement utilisés comme sources de réfrigération dans les processus industriels.
Les moteurs à réaction militaires, en tant que branche des turbines à gaz, ont récemment été utilisés comme contrôleur de vol principal lors des vols après décrochage en utilisant des déflexions de jet également appelées vecteur de poussée. La Federal Aviation Administration des États-Unis a également mené une étude sur la civilisation de tels systèmes de guidage de poussée pour récupérer les avions de ligne après une catastrophe.