vignette|alt=|Rotors de turbines à vapeur de la centrale nucléaire de Philippsburg.
Une turbine est un dispositif rotatif conçu pour convertir de l'énergie interne d'un fluide en énergie mécanique au moyen d'aubes disposées sur un arbre tournant à grande vitesse. Le fluide peut être liquide (comme l'eau) ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion). C'est la grande vitesse qui fait la différence principale entre la turbine, apparue au dans le cadre de la révolution industrielle, et des machines également rotatives et conçues pour convertir l'énergie d'un fluide en énergie mécanique mais bien plus anciennes que sont les moulins à vents, moulins à eau, éoliennes, roues à aubes
L'énergie entrante du fluide est caractérisée notamment par sa vitesse, sa pression, son enthalpie, qui en sortie de la machine seront réduites. On distingue deux types de turbines : les turbines à action extraient essentiellement de l'énergie cinétique du fluide (exemple : turbine Pelton), tandis que dans les turbines à réaction la pression du fluide joue le rôle principal (exemples : turbine Francis, turbine à gaz).
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
De nos jours les turbines sont au cœur des centrales électriques ou des turboréacteurs par exemple. Leur fabrication mobilise les connaissances, les compétences et les machines les plus pointues, pour leur permettre de résister à des pressions, des températures et des vitesses de rotation extrêmes. Ces deux considérations en font des pièces essentielles, et sensibles, du système économique et industriel.
Étymologie et invention En latin turbo, -inis, cognat du grec de même sens, signifie ce qui tourne en rond, tourbillon, vortex, cyclone. Au milieu du , la machine de Segner avait stimulé les recherches d’hydrodynamique sur la propulsion par réaction.. En 1822 c'est sur cette base que Claude Burdin définit la turbine comme « roue motrice munie d'aubes, d'ailettes sur lesquelles on fait agir la pression ou la vitesse d'un fluide (eau, vapeur ou gaz) » dans son mémoire « Des Turbines hydrauliques, ou Machines rotatoires à grande vitesse » qu'il présente à l'Académie des sciences, mais il ne parvient pas à concrétiser ses recherches. Benoit Fourneyron, un de ses élèves, est l'inventeur de la première turbine hydraulique opérationnelle en .
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.
Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes : l’eau est mise en pression par une pompe pour être envoyée vers la chaudière ; l’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée.
Dès que cette vapeur doit être utilisée, elle effectue les étapes suivantes : la vapeur se détend en fournissant de l'énergie cinétique, que la turbine convertit en énergie mécanique ; la vapeur détendue se condense au contact d'une source froide sous vide partiel.
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.
Réalisation pratique
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 à vapeur comprend un ou plusieurs étages assurant chacun deux fonctions : la détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l’énergie potentielle de pression 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 vapeur se classent en deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine : 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 ; 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 température est limitée à et le maximum mis en œuvre est de . La pression est de l’ordre de et atteint 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 avec un rendement de cycle dépassant légèrement 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).
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 coût et la complexité des installations les réservent le plus souvent à des installations de puissance élevée pour bénéficier d’économies d’échelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines à gaz sont mieux adaptés en dessous d’environ .
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 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 %. 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. . 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 cycle comprend fondamentalement deux changements d’état (évaporation et condensation). Le diagramme de phases de l’eau permet d’envisager un cycle à un seul changement d’état par l’utilisation d’une chaudière supercritique. En effet, au-delà du point critique (environ et ) ne se produit plus de changement d’état et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus être distinguées. Les cycles supercritiques nécessitent généralement une double resurchauffe pour limiter l’humidité en fin de cycle. .
Production d'électricité