Turbine à vapeur

Définir une turbine à vapeur : Principes de base

Une turbine à vapeur fonctionne selon le principe de la thermodynamique. La méthode de base consiste à produire de la vapeur à haute pression dans une chaudière, qui est ensuite détendue par une turbine à vapeur pour effectuer un travail.

Il existe de nombreuses conceptions et dispositions pour les turbines à vapeur, mais la plupart d'entre elles fonctionnent selon le même principe fondamental. L'énergie potentielle de la vapeur est d'abord convertie en énergie cinétique sous forme de vapeur à grande vitesse. Cette énergie cinétique est ensuite convertie en énergie mécanique lorsqu'elle fait bouger les pales de la turbine, qui sont reliées à l'arbre de la turbine.

La formule de l'énergie cinétique en thermodynamique est donnée comme suit :

Où, m = masse de la vapeur v = vitesse de la vapeur

Contexte historique de la turbine à vapeur

L'histoire de la turbine à vapeur remonte au 1er siècle de notre ère, lorsque Héron d'Alexandrie a créé l'"éolipile", qui utilisait la vapeur pour faire tourner une boule.

Cependant, ce n'est que dans les années 1880, au cours de la révolution industrielle, que des turbines à vapeur pratiques capables de générer une puissance substantielle ont été mises au point. L'invention de la turbine à vapeur moderne est attribuée à Sir Charles Parsons. Sa conception a considérablement augmenté l'efficacité et la puissance des moteurs à vapeur, ouvrant la voie à des applications industrielles et maritimes très répandues.

Aujourd'hui, les turbines à vapeur sont utilisées dans une variété d'applications, y compris la production d'énergie et les systèmes de propulsion, en raison de leur grande efficacité et de leur fiabilité.

Divers exemples réels de turbines à vapeur

Comprendre le concept de turbine à vapeur peut sembler abstrait si l'on ne dispose pas d'exemples pratiques. Pour combler ce fossé, plongeons-nous dans l'exploration d'applications du monde réel où tu trouveras des turbines à vapeur industrielles simples et complexes.

Exemple de turbine à vapeur simple

Les turbines à vapeur ne sont pas étrangères aux applications simples. Jetons un coup d'œil à l'une d'entre elles : les modèles de démonstration de table utilisés dans les établissements d'enseignement.

Ces modèles miniaturisés sont généralement utilisés dans les classes de sciences pour donner aux élèves une compréhension pratique de la thermodynamique, en particulier de la façon dont la chaleur peut être utilisée pour produire de l'énergie mécanique. Chaque modèle comporte une petite chaudière, une turbine et une roue tournante qui démontrent la conversion de l'énergie thermique en travail mécanique.

Les étapes pour mettre en place et faire la démonstration d'un tel modèle sont les suivantes :

• Remplir la petite chaudière d'eau
• Appliquer de la chaleur à la chaudière pour produire de la vapeur
• La vapeur se rend ensuite à la turbine
• Le rotor de la turbine commence à tourner, ce qui fait bouger la roue qui y est attachée.
• La rotation de la roue représente le travail mécanique dérivé de la chaleur.

Dans un tel modèle, il n'est pas nécessaire de faire des calculs complexes. Cependant, pour enseigner le principe sous-jacent, une formule cruciale s'impose :

Cette formule représente l'énergie cinétique acquise par la vapeur en mouvement, où "m" est la masse et "v" la vitesse.

Ce modèle offre un exemple simple et facilement compréhensible de turbine à vapeur qui souligne les bases de la conversion de la vapeur en énergie mécanique.

Exemple de turbine à vapeur industrielle complexe

Pour un exemple complexe de turbines à vapeur, considérons leur utilisation dans les centrales thermiques. Ici, les turbines sont un élément essentiel de la production d'électricité.

Dans une centrale thermique, le processus comporte plusieurs étapes :

• Le charbon ou le gaz naturel est brûlé pour produire de la chaleur
• Cette chaleur est utilisée pour transformer l'eau en vapeur à haute pression
• La vapeur est ensuite acheminée vers la turbine à vapeur.
• La turbine à vapeur tourne, entraînant un générateur qui lui est rattaché.
• Ce générateur produit alors de l'électricité

Dans ce cas, les turbines sont utilisées pour faire tourner le rotor d'un générateur - un processus qui nécessite des pales de turbine à grande vitesse et à haut rendement pour optimiser la production d'électricité.

Les turbines utilisées dans les centrales électriques sont beaucoup plus grandes et plus compliquées que le simple modèle de table, et se composent souvent de plusieurs étages de pales pour gérer efficacement les changements de pression.

Pour déchiffrer l'efficacité de ces turbines, plusieurs formules complexes entrent en jeu, notamment l'équation de l'efficacité des turbines :

Où :\(\eta_t\) = Rendement de la turbine\(h1\) = Enthalpie de la vapeur entrant dans la turbine\(h2\) = Enthalpie de la vapeur sortant de la turbine\(h3\) = Enthalpie de la vapeur si elle est dilatée de façon isentropique

Cet exemple de turbines à vapeur industrielles montre comment la conception du moteur et les calculs thermodynamiques s'associent pour produire des résultats impressionnants dans un environnement complexe et réel.

Comprendre l'efficacité des turbines à vapeur

Dans ton exploration de la turbine à vapeur, la compréhension de l'efficacité devient primordiale. L'efficacité d'une turbine à vapeur joue un rôle crucial dans la détermination de la performance globale des centrales électriques ou de tout autre système où elles sont utilisées. Mais comment ce rendement est-il calculé et quels sont les facteurs qui l'influencent ? Nous allons nous pencher sur ces aspects.

La science derrière l'efficacité des turbines à vapeur

En termes simples, le rendement d'une turbine à vapeur, souvent représenté par la lettre grecque \(\eta_t\) (eta), est le rapport entre le travail utile obtenu de la turbine et l'énergie fournie sous forme de vapeur. En d'autres termes, il mesure la capacité de la turbine à convertir l'énergie thermique de la vapeur en travail mécanique.

Plusieurs facteurs influencent ce rendement, notamment la configuration des pales, les conditions de la vapeur, le processus d'expansion de la vapeur et les extractions d'énergie pour le chauffage de l'eau d'alimentation. Cependant, un élément clé se démarque : le rendement thermodynamique. Le rendement thermodynamique est principalement influencé par les différences de pression et de température entre la vapeur entrant dans la turbine et la vapeur d'échappement.

Le rendement d'une turbine à vapeur peut être déterminé à l'aide de la formule suivante :

Où :\(\eta_t\) = Rendement de la turbine\(h1\) = Enthalpie de la vapeur entrant dans la turbine\(h2\) = Enthalpie de la vapeur sortant de la turbine\(h3\) = Enthalpie de la vapeur si elle est dilatée de façon isentropique

La dilatation isentropique fait ici référence à un processus idéal et réversible où la vapeur se dilate sans perte ni gain de chaleur et sans perte d'énergie due aux frottements ou aux turbulences. En réalité, une telle expansion idéale est impossible à réaliser, et l'enthalpie d'échappement réelle (\(h2\)) est toujours supérieure à l'enthalpie d'échappement isentropique (\(h3\)). Par conséquent, \(\eta_t\) est toujours inférieur à 1 (ou 100%). La différence entre \N(h2\N) et \N(h3\N) reflète toute inefficacité dans l'expansion de la vapeur due au frottement, à la perte de chaleur, à la géométrie des pales de la turbine, etc.

Facteurs influençant l'efficacité des turbines à vapeur

L'efficacité des turbines à vapeur est un aspect important à prendre en compte dans leur conception et leur fonctionnement. De multiples facteurs contribuent à l'efficacité globale d'une turbine à vapeur, chacun jouant un rôle crucial dans son fonctionnement.

• Propriétés de la vapeur : Les propriétés de la vapeur, notamment la pression, la température, la teneur en humidité et le débit massique, influent sur l'efficacité avec laquelle l'énergie de la vapeur est convertie en énergie mécanique. Les turbines sont plus efficaces lorsqu'elles fonctionnent à une pression et une température élevées. Cependant, la teneur en humidité de la vapeur doit être faible, car l'excès d'humidité peut provoquer l'érosion des pales de la turbine.
• Conception des pales : La conception, la taille et la disposition des pales de la turbine ont un impact significatif sur le processus d'expansion de la vapeur et sur l'efficacité globale de la turbine. Les pales doivent être conçues de façon optimale pour extraire le maximum d'énergie de la vapeur.
• Étapes de la turbine : Généralement, les turbines sont conçues avec plusieurs étages (jeux de pales), afin de gérer l'importante chute de pression entre l'entrée de la vapeur et l'échappement. Cette conception multi-étages améliore l'efficacité, mais le nombre d'étages et leur conception doivent être correctement optimisés.
• Matériaux de construction : Le matériau utilisé pour construire la turbine, en particulier les pales, a une incidence sur son efficacité car il détermine la solidité, la durabilité et la résistance à la chaleur et aux charges de pression.
• Entretien : L'entretien régulier de la turbine et de ses composants permet de s'assurer que le système fonctionne de manière optimale. Toute irrégularité, telle qu'une fuite de vapeur ou l'érosion des pales, peut réduire considérablement l'efficacité et doit être traitée rapidement.

En conclusion, de nombreux facteurs contribuent à l'efficacité d'une turbine à vapeur. Si certains sont inhérents à la conception et à la construction de la turbine et si d'autres sont liés à l'application, ils fixent un objectif aux ingénieurs et aux passionnés de sciences : optimiser ces aspects pour obtenir les niveaux d'efficacité les plus élevés possibles.

Exploration de l'application de la turbine à vapeur

Lorsque l'on considère la puissance et la polyvalence de la turbine à vapeur, on trouve un large éventail d'applications dans de nombreux secteurs. De la production d'énergie à l'industrie maritime, la turbine à vapeur a acquis une position essentielle.

Utilisation des turbines à vapeur dans la production d'électricité

Une application centrale des turbines à vapeur se trouve dans le domaine de la production d'énergie, plus précisément dans les centrales thermiques. Ici, la production d'électricité dépend fortement du fonctionnement efficace des turbines à vapeur. Le processus commence par le chauffage de l'eau à l'intérieur d'une chaudière jusqu'à ce que de la vapeur soit produite. Cette vapeur, porteuse d'une énergie thermique importante, est ensuite acheminée vers la turbine à vapeur.

Le principal avantage de l'utilisation des turbines à vapeur pour la production d'électricité est leur rendement élevé à grande échelle. Elles conviennent donc parfaitement à la production d'électricité en vrac dans les centrales électriques, où quelques points de pourcentage d'efficacité peuvent se traduire par d'importantes économies.

Pour le démontrer, examine les étapes de la production d'électricité à l'aide d'une turbine à vapeur :

• La combustion d'un combustible (charbon, gaz naturel, etc.) chauffe l'eau dans une chaudière pour produire de la vapeur à haute pression
• La vapeur à haute pression est acheminée vers la turbine à vapeur.
• La vapeur fait tourner les pales de la turbine.
• L'énergie de rotation de la turbine est transférée à un générateur.
• Ce mouvement permet au générateur de produire de l'électricité.

L'efficacité de la conversion de l'énergie est un concept essentiel qui peut être représenté par la formule suivante :

Où :\(\eta_t\) = Rendement de la turbine\(h1\) = Enthalpie de la vapeur entrant dans la turbine\(h2\) = Enthalpie de la vapeur sortant de la turbine\(h3\) = Enthalpie de la vapeur si elle est dilatée de façon isentropique (dilatation idéale)

Un rendement élevé de la turbine entraîne moins de déchets, ce qui rend le processus plus rentable et réduit l'impact sur l'environnement, étant donné qu'il faut moins de combustible pour produire la même quantité d'énergie.

Rôle des turbines à vapeur dans les secteurs maritime et industriel

Outre leur rôle important dans la production d'électricité, les turbines à vapeur trouvent également des applications dans les secteurs maritime et industriel. Dans l'industrie maritime, les turbines à vapeur étaient traditionnellement utilisées comme principaux systèmes de propulsion des navires, en particulier pour les grands navires de haute mer. Cela était principalement dû à leur puissance élevée, à leur fiabilité et à leur capacité à utiliser du fioul lourd. Le système de production de vapeur, les turbines à vapeur et les hélices attachées formaient un système de propulsion unifié.

Pour illustrer l'application des turbines à vapeur dans l'industrie maritime, considère les étapes suivantes :

• L'eau est chauffée dans une chaudière, ce qui produit de la vapeur à haute pression
• Cette vapeur est dirigée vers une turbine à vapeur
• La vapeur fait tourner la turbine
• Cette rotation est transférée à un arbre d'hélice par l'intermédiaire d'un engrenage de réduction, ce qui propulse le navire.

Il est important de noter que les navires modernes ont largement adopté les moteurs diesel et les turbines à gaz pour la propulsion en raison de leur plus grande efficacité et de leurs besoins moindres en matière d'entretien. Cependant, les turbines à vapeur sont encore utilisées dans certaines applications de niche, comme les transporteurs de GNL (gaz naturel liquéfié), où la vapeur peut être générée en utilisant l'excès de chaleur du gaz.

Dans le secteur industriel, les turbines à vapeur sont employées dans de nombreuses applications. Elles sont utilisées dans les industries pétrolières et gazières pour entraîner les compresseurs, les pompes et d'autres équipements mécaniques à grande échelle. Les industries qui utilisent la vapeur dans leurs processus, comme les industries chimiques et pétrochimiques, emploient souvent des turbines à vapeur dans une configuration de cogénération, où la vapeur utilisée dans les processus industriels est ensuite envoyée dans une turbine pour produire de l'électricité. Cela permet à ces industries de maximiser l'efficacité de leur utilisation de l'énergie.

Ici, le rendement de ces turbines à vapeur joue également un rôle crucial. La même formule d'efficacité est applicable :

Un rendement élevé dans ces applications se traduit non seulement par des économies, mais il réduit également l'impact sur l'environnement en diminuant les demandes globales d'énergie de l'industrie.

Guide complet sur la classification des turbines à vapeur

À mesure que tu t'enfonces dans les subtilités des turbines à vapeur, il devient essentiel de comprendre les différents types de turbines. La classification des turbines à vapeur est basée sur plusieurs critères différents, bien que, pour les besoins de cette explication, l'accent sera mis principalement sur la direction du flux de vapeur et la disposition du mélange.

Classification basée sur la direction du flux de vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être classées en fonction du sens d'écoulement de la vapeur dans la turbine. Cette distinction est faite à l'aide de trois classifications principales : les turbines à flux axial, à flux radial et à flux tangentiel ou hélicoïdal.

Pour certaines turbines à vapeur, la direction du flux peut être une combinaison de flux axial et radial, sous réserve des exigences de conception. Chaque type de turbine à vapeur a ses avantages et ses inconvénients, ce qui les rend adaptés à des applications spécifiques. Par conséquent, le choix de la turbine à vapeur est dicté par le rendement souhaité, l'efficacité, les contraintes de taille, les facteurs de coût et l'application particulière pour laquelle elle est conçue.

Classification en fonction de l'agencement de la composition

Dans les turbines à vapeur, le terme "composition" fait référence à la méthode par laquelle l'énergie de la vapeur est extraite par étapes ou "composition". La nécessité de "composer" découle de la quantité d'énergie contenue dans la vapeur à haute pression, qui entraîne une vitesse de rotation excessivement élevée si elle est extraite en une seule étape. La composition permet à l'énergie de la pression d'être traduite en vitesse à travers une série d'étapes, en maintenant une vitesse de rotation raisonnable. Sur cette base, les turbines à vapeur peuvent être classées en deux catégories principales : les turbines à vitesse composée et les turbines à pression composée.

Le diagramme ci-dessous illustre une représentation simple d'une turbine à vitesse composée. Les pales fixes (pales du stator) sont représentées en vert et guident la vapeur vers les pales mobiles (représentées en bleu). Ici, N représente la buse où la vapeur acquiert sa vitesse initiale.

 -------------- -------------- -------------- | | | | | | N | | N | | | N | | | | | | | -------------- -------------- --------------
      || || || || || || || || || ____||_||_||________||_||_||_______||_||_||____ | __ __ __ __ __ __ __ | | | | | | | | | | | | | | | | | |   | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |__| | | | | | |__| | | | | | | |______________________________________________| (Lames mobiles) (Lames fixes-

en vert) _________ _________ _________ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |_________| |_________| | |_________|

En termes d'efficacité, les turbines composées à pression ont généralement l'avantage, car elles conservent un rendement élevé même à charge partielle. Cependant, les turbines composées à vitesse ont tendance à être plus simples dans leur construction, et leur capacité à gérer des vitesses plus élevées peut fournir une plus grande puissance de sortie.

Par conséquent, le choix entre les turbines à vitesse composée et les turbines à pression composée dépend des exigences spécifiques en matière de vitesse, de puissance, d'efficacité et de coût, entre autres facteurs.

Comprendre la composition des turbines à vapeur

Le compoundage d'une turbine à vapeur est la méthode utilisée pour contrôler et utiliser l'énergie de la vapeur et la convertir en travail mécanique. Il s'agit essentiellement du système par lequel l'énergie cinétique élevée de la vapeur est efficacement convertie en force de rotation pour entraîner un générateur ou un équipement mécanique. Les deux principales méthodes de compoundage dans les turbines à vapeur sont le compoundage de la vitesse et le compoundage de la pression. Une troisième option, le compoundage combiné, permet d'interfacer ces deux méthodes de compoundage pour optimiser les performances. Approfondissons ces types de compoundage.

Composé de vitesse : Turbine à vapeur

Dans une turbine à vapeur à mélange de vitesse, également connue sous le nom de turbine Curtis, la vapeur se dilate dans une série d'aubes fixes et d'aubes mobiles, disposées alternativement. Tout d'abord, la vapeur se dilate dans une buse, ce qui lui confère une grande énergie cinétique. Cette vapeur à grande vitesse est ensuite dirigée sur un ensemble de pales mobiles, ce qui fait tourner les pales et dévie la vapeur dans la direction opposée. Malgré la perte d'une partie de son énergie cinétique par les lames, la vapeur conserve un niveau d'énergie important.

Maintenant, au lieu de laisser la vapeur s'épuiser et gaspiller l'énergie restante, elle est redirigée à l'aide d'un jeu de lames fixes sur le jeu de lames mobiles suivant. Chaque jeu de lames fixes agit comme un guide, dirigeant la vapeur vers le jeu de lames mobiles suivant, en extrayant plus d'énergie à chaque étape. Cette alternance de lames fixes et mobiles se poursuit jusqu'à ce que presque toute l'énergie de la vapeur soit épuisée.

Cette méthode permet une rotation à grande vitesse au fur et à mesure que l'énergie est extraite, étape par étape, et maintient la pression de la vapeur presque constante dans toute la turbine. Cependant, elle peut être mécaniquement complexe et souffre de pertes d'efficacité en raison de la vitesse élevée des pales et des frottements qui s'ensuivent.

Compoundage de la pression : Turbine à vapeur

Dans une turbine à vapeur à pression composée, souvent appelée turbine Rateau, la vapeur se dilate dans une série de buses au lieu de pales fixes. Chaque buse fournit une chute de pression échelonnée et libère de la vapeur à grande vitesse sur son propre ensemble de pales mobiles. La turbine à pression composée dispose donc d'une buse indépendante et d'un ensemble de pales mobiles pour chaque étape, ce qui permet d'extraire l'énergie de la vapeur.

La pression de la vapeur diminue par étapes, ce qui rend le processus économe en énergie et réduit la tension sur les pales de la turbine. Cette méthode de compoundage est généralement utilisée dans les grandes turbines où il est crucial de maintenir un rendement élevé à toutes les longueurs et à toutes les charges. Malgré leur efficacité accrue, la conception et la construction des turbines composées sous pression sont complexes et coûteuses par rapport à leurs homologues composées sous vitesse.

Composés combinés : Turbine à vapeur

Il est notamment possible de combiner le compoundage de vitesse et le compoundage de pression pour former une turbine à vapeur à compoundage combiné. Cette turbine utilise à la fois l'étage Curtis (étage à vitesse composée) et l'étage Rateau (étage à pression composée). La vapeur à haute pression entre d'abord dans l'étage Curtis, où elle se dilate partiellement et transmet de l'énergie cinétique aux pales en mouvement. La vapeur encore énergétique entre ensuite dans les étages Rateau, où elle subit une nouvelle expansion et une nouvelle extraction d'énergie.

L'avantage de la turbine combinée réside dans sa polyvalence. L'étage Curtis peut traiter la vapeur initiale à haute pression et à grande vitesse, obtenant ainsi une puissance élevée, tandis que les étages Rateau extraient l'énergie plus efficacement à des pressions plus basses. Cette combinaison permet d'obtenir un équilibre entre la puissance et l'efficacité opérationnelle, ce qui fait que les turbines composées combinées conviennent à un large éventail d'applications.

Ainsi, le choix de la méthode de compoundage dépend principalement de l'équilibre entre la puissance de sortie, l'efficacité opérationnelle, les implications en termes de coûts et les exigences spécifiques de l'application. Il est toujours crucial de comprendre les principes fondamentaux de chaque type, ce qui permet de décider plus facilement lequel s'adapte le mieux à un contexte spécifique.