Pompe de piscine : guide – choisir – avis – Turbine – Wikipédia

UN turbine ( ou ) (du grec perturbation, tyrbeou latine turbosignifiant vortex)^[1][2] est un dispositif mécanique rotatif qui extrait l’énergie d’un écoulement 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 combiné avec un générateur.^[3] Une turbine est une turbomachine avec au moins une pièce mobile appelée ensemble rotor, qui est un arbre ou un tambour avec des pales attachées. Le fluide en mouvement agit sur les pales afin qu’elles se déplacent et transmettent une 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 carter autour des pales qui contient et contrôle le fluide de travail. Le mérite de l’invention de la turbine à vapeur revient à la fois 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 à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, faisant généralement varier le degré de réaction et d’impulsion du pied de pale à sa périphérie. Hero of Alexandria a démontré le principe de la turbine dans un éolipile au premier siècle après JC et Vitruve les a mentionnés vers 70 avant JC.

Le mot « turbine » a été inventé en 1822 par l’ingénieur minier français Claude Burdin du grec perturbation, tyrbesignifiant « vortex » ou « tourbillonnant », dans une note, « Turbines hydrauliques ou machines tournantes à grande vitesse », qu’il soumit à l’Académie royale des sciences de Paris.^[4] Benoit Fourneyron, ancien élève de Claude Burdin, construit la première turbine à eau fonctionnelle.

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 capter cette énergie :

Les turbines à impulsion modifient le sens d’écoulement d’un fluide à grande vitesse ou d’un jet de gaz. L’impulsion résultante fait tourner la turbine et laisse le flux de fluide avec une énergie cinétique réduite. Il n’y a pas de changement de pression du fluide ou du gaz dans les aubes de turbine (les aubes mobiles), comme dans le cas d’une turbine à vapeur ou à gaz, toute la perte de charge a lieu dans les aubes fixes (les tuyères). Avant d’atteindre la turbine, le fluide est tête de pression est changé en tête de vitesse en accélérant le fluide avec une buse. Les roues Pelton et les turbines de Laval utilisent exclusivement ce procédé. Les turbines à impulsion ne nécessitent pas de carter de pression autour du rotor puisque le jet de fluide est créé par la tuyère 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 plus efficaces pour une utilisation dans les cas où le débit est faible et la pression d’entrée élevée. ^[3]

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.^[3] Un caisson sous pression est nécessaire pour contenir le fluide de travail lorsqu’il agit sur le ou les étages de turbine ou la turbine doit être complètement immergée dans le flux de fluide (comme avec les éoliennes). Le boîtier contient et dirige le fluide de travail et, pour les turbines à eau, maintient l’aspiration transmise 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 plus élevées ou aux applications où la charge de fluide (pression en amont) est faible. ^[3]

Dans le cas des turbines à vapeur, comme celles qui seraient utilisées pour des applications marines ou pour la production d’électricité terrestre, une turbine à réaction de type Parsons nécessiterait environ le double du nombre de rangées d’aubes qu’une turbine à impulsion de type de Laval, pour le même degré de conversion de l’énergie thermique. Alors que cela rend la turbine Parsons beaucoup plus longue et plus lourde, le rendement global d’une turbine à réaction est légèrement supérieur à celui de la 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 dans la mesure du 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 la déviant sous 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 impulsionnelles mais continuent d’évoluer vers des conceptions de réaction similaires à celles utilisées dans les turbines à gaz. À basse pression, le fluide de service se dilate en volume pour de petites réductions de pression. Dans ces conditions, l’aubage devient strictement une conception de type réaction avec la base de l’aube uniquement impulsionnelle. 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 une pointe à réaction élevée.

Les méthodes de conception de turbines classiques ont été développées au milieu du 19e siècle. L’analyse vectorielle a lié l’écoulement du fluide à la forme et à la rotation de la turbine. Des méthodes de calcul graphique 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 n’importe quelle condition d’écoulement de fluide. Certains des calculs sont des formules empiriques ou « empiriques », et d’autres sont basés sur la mécanique classique. Comme pour la plupart des calculs techniques, des hypothèses simplificatrices ont été faites.

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 stationnaire à vitesse absolue V_a1. Le rotor tourne à la vitesse tu. Par rapport au rotor, la vitesse du gaz lorsqu’il frappe l’entrée du rotor est V_r1. Le gaz est entraîné par le rotor et sort, par rapport au rotor, à une vitesse V_r2. Cependant, en termes absolus, la vitesse de sortie du rotor est V_a2. Les triangles de vitesse sont construits à partir de ces différents vecteurs de vitesse. Les triangles de vitesse peuvent être construits à n’importe quelle section de l’aubage (par exemple : moyeu, pointe, section médiane, etc.), mais sont généralement affichés au rayon moyen de l’étage. Les performances moyennes de l’étage peuvent être calculées à partir des triangles de vitesse, à ce rayon, en utilisant l’équation d’Euler :

$\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_w$

D’où:

$\displaystyle \frac \Delta hT=\frac u\cdot \Delta v_wT$

où:

$\displaystyle \Delta h$ est la chute d’enthalpie spécifique à travers l’étage

$\displaystyle T$ est la température totale d’entrée (ou de stagnation) de la turbine

$\displaystyle u$ est la vitesse périphérique du rotor de la turbine

${\displaystyle \Delta v_{w))$ est la variation de la vitesse du tourbillon

Le rapport de pression de la turbine est fonction de $\displaystyle \frac \Delta hT$ et le rendement de la turbine.

La conception moderne des turbines pousse les calculs plus loin. La dynamique des fluides computationnelle dispense de 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 pour être indépendante de la taille de la turbine. Compte tenu des conditions d’écoulement du fluide et de la vitesse de sortie d’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 faire évoluer de manière fiable une conception existante de performances connues vers une nouvelle taille avec des performances correspondantes.

Les performances hors conception sont normalement affichées sous forme de carte ou de caractéristique de turbine.

Le nombre d’aubes du rotor et le nombre d’aubes du stator sont souvent deux nombres premiers différents afin de réduire les harmoniques et de maximiser la fréquence de passage des aubes.^[5]