De quoi est composée une turbine?

Une turbine est un dispositif mécanique rotatif qui extrait l’énergie d’un flux de fluide et la convertit en travail utile. Le travail produit par une turbine peut être utilisé pour générer de l’énergie électrique lorsqu’il est associé à un générateur.

De quoi est composée une turbine?

Une turbine est une turbomachine comportant au moins une partie mobile appelée ensemble rotor, qui est un arbre ou un tambour auquel sont fixées des pales. Le fluide en mouvement agit sur les pales pour qu’elles se déplacent et transmettent de l’énergie rotative au rotor. Les premiers exemples de turbines sont les moulins à vent et les roues à aubes.

Histoire des turbines

Les turbines à gaz, à vapeur et à eau sont dotées d’un boîtier autour des pales qui contient et contrôle le fluide de travail. L’invention de la turbine à vapeur est attribuée à l’ingénieur anglo-irlandais 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 la réaction et l’impulsion dans la même unité, en faisant varier le degré de réaction et d’impulsion de la racine de la pale à sa périphérie. Héro d’Alexandrie a démontré le principe de la turbine dans une éolienne au premier siècle de notre ère et Vitruve les a mentionnées vers 70 avant Jésus-Christ.

Le mot « turbine » a été inventé en 1822 par l’ingénieur des mines français Claude Burdin à partir du grec τύρβη, tyrbē, signifiant « vortex » ou « tourbillon », dans un mémoire, « Des turbines hydrauliques ou machines rotatives à grande vitesse », qu’il a soumis à l’Académie royale des sciences de Paris. Benoît Fourneyron, un ancien élève de Claude Burdin, a construit la première turbine hydraulique pratique.

Comment fonctionnent les turbines?

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 utilisés par les turbines pour collecter cette énergie :

Les turbines à impulsion

Les turbines à impulsion changent la direction du flux 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 réduite. 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 transformée en hauteur de vitesse en accélérant le fluide à l’aide d’une tuyère. Les roues Pelton et les turbines de Laval utilisent exclusivement ce procédé. Les turbines à impulsions n’ont pas besoin d’une enveloppe 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 impulsion sont les plus efficaces lorsqu’elles sont utilisées lorsque le débit est faible et la pression d’entrée élevée.

Turbines à réaction

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 carter sous pression est nécessaire pour contenir le fluide de travail lorsqu’il agit sur le ou les étages de la turbine, ou bien la turbine doit être entièrement immergée dans le flux de fluide (comme c’est le cas pour les éoliennes).

Le carter contient et dirige le fluide de travail et, pour les turbines à eau, maintient l’aspiration conférée par le tube de tirage. 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. Les turbines à réaction sont mieux adaptées aux vitesses d’écoulement élevées ou aux applications où la hauteur de charge du fluide (pression en amont) est faible.

Turbines à vapeur

Dans le cas des turbines à vapeur, telles que celles utilisées pour les applications marines ou pour la production d’électricité sur terre, une turbine à réaction de type Parsons nécessiterait environ deux fois plus de rangées de pales qu’une turbine à impulsion de type de Laval, pour le même degré de conversion de l’énergie thermique.

Bien que la turbine de Parsons soit donc 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.

Turbines modernes

Dans la pratique, les turbines modernes utilisent à des degrés divers les concepts de réaction et d’impulsion chaque fois que cela est possible. Les éoliennes utilisent un profil aérodynamique pour générer une portance de réaction à partir du fluide en mouvement et la transmettre au rotor. Les éoliennes tirent également de l’énergie de l’impulsion du vent, en le déviant selon un angle.

Les turbines à étages multiples peuvent utiliser un aubage de réaction ou d’impulsion à haute pression. Les turbines à vapeur étaient traditionnellement plus à impulsion, mais elles continuent à évoluer vers des conceptions à réaction similaires à celles utilisées dans les turbines à gaz. À basse pression, le fluide de fonctionnement se dilate en volume pour de faibles réductions de pression.

Dans ces conditions, l’aubage devient strictement une conception de type réactionnel, la base de l’aube étant uniquement à impulsion. La raison est due à l’effet de la vitesse de rotation de chaque pale. Au fur et à mesure que le volume augmente, la hauteur de la pale augmente, et la base de la pale tourne à une vitesse plus lente par rapport à l’extrémité. Ce changement de vitesse oblige le concepteur à passer de l’impulsion à la base à une pointe à réaction élevée.