Turbines à vapeur

Les turbines à vapeur sont des machines rotatives destinées à produire un travail mécanique, grâce à la détente d'une vapeur.

L'usage des turbines à vapeur est étroitement lié à l'utilisation d'un combustible comme source d'énergie primaire dans une usine.
Un combustible, quel qu'il soit, de par la température de combustion, permet de produire une vapeur à haute pression (jusqu'à 200 bars). Une telle pression n'est souvent pas nécessaire pour les besoins de chauffage des procédés. Il est alors avantageux d'utiliser ces hautes pressions pour produire une énergie mécanique souvent nécessaire, au moyen de turbines à vapeur.

En pratique, la température et la pression de la vapeur est limitée par la résistances des aciers utilisés pour la construction des équipements et des tuyauteries. La température d'exploitation étant limitée à 450°C pour les aciers courants, et les turbines devant être alimentées par une vapeur surchauffée, la pression maximum de la vapeur alimentant les turbines est souvent fixée à 60 bars. Mais les turbines peuvent aussi être alimentées en vapeur très basse pression, de l'ordre de 5 bars.

Les turbines à vapeur peuvent ainsi permettre l'entraînement de pompes, compresseurs, alternateurs pour la production d'électricité ....

Aspect thermodynamique de la détente

Dans un orifice ou une vanne, aucune énergie mécanique n'est produite par la détente de la vapeur. Son enthalpie reste inchangée, et sa température change peu.

Dans la turbine, l'énergie mécanique produite ou dispersée en pertes, est exactement égale à l'énergie thermique (ou enthalpie) cédée par la vapeur au cours de son passage. Cette énergie thermique est responsable de sa température. La température de la vapeur diminue donc au cours de cette détente.

Pour produire.................1 kWatt d'énergie mécanique dans une turbine:

• la vapeur devra céder ......860 kcal/h (3600 kJ/h) d'énergie thermique
• sa température baissera d'environ 200°C pour environ 10 kg de vapeur détendue

L'énergie maximum que peut produire la détente d'une vapeur dans une turbine dépend du ratio de pression entre l'entrée et la sortie. La pression de sortie de la turbine doit donc être la plus basse possible pour en extraire le maximum d'énergie mécanique. Ainsi dans de nombreuses situations, et notament dans les centrales électriques, la pression la plus basse est obtenue par condensation de la vapeur sous vide.

Au cours de la détente de la vapeur dans la turbine, sa température diminue proportionellement à l'énergie cédée. Sa température peut atteindre la température de condensation. Des gouttes d'eau peuvent se former, mélangées à la vapeur. Cette situation doit généralement être évitée,car elle génère une érosions des internes de la turbine, et réduit son rendement.
Le point de condensation (ou point de rosée) est généralement évité en veillant à ce que la température de la vapeur en entrée soit suffisament surchauffée, et en contrôlant la pression de sortie de la vapeur pour éviter qu'elle ne soit trop basse.

Dans une turbine idéale, la détente de la vapeur s'effectue à entropie constante. On dit que c'est une détente "isentropique".
Dans ces conditions la turbine convertit au mieux l'enthalpie disponible de la vapeur. Le rendement de la turbine est de 100%.

Dans une turbine réelle, la détente n'est pas parfaitement isentropique. L'entropie de la vapeur détendue augmente, toute l'enthalpie disponible dans la vapeur n'est pas convertie en énergie mécanique, l'abaissement de température est moindre, le rendement est inférieur à 100%.

Cette variation de température est plus rapide que la variation du point de condensation qui accompagne la variation de pression, de sorte que si la vapeur qui alimente la turbine n'est pas surchauffée, une partie se condensera au cours de la détente.
Les gouttelettes formées provoqueront une érosion des aubages et une perte de rendement (1% de rendement pour 1% d'eau liquide).

Utilisation du diagramme de Mollier

Les diagrammes de Mollier étaient largement utilisé avant le développement des calculateurs, pour toutes les applications de la vapeur. Même s'ils sont passés de mode aujourd'hui, ils restent un moyen rapide et efficace pour  représenter les transformations thermodynamiques d'un fluide.

Ils sont tracés avec l'enthalpie en ordonnée, et l'entropie en abcisse. Un peu abusivement, les diagrammes P-H (Pression-Enthalpie) ou T-H (Température-Enthalpie) sont parfois aussi appelés diagramme de Mollier.

Les diagrammes de Mollier représentent dans les coordonnées Enthalpie-Entropie, des courbes à:

• température constante
• pression constante
• point d'ébullition et de condensation (points de rosée)
• fraction condensée constante pour les mélanges bi-phasiques
• éventuellement la masse volumique du gaz

Un mélange bi-phasique est représenté par son enthalpie sur sa courbe de pression.
Un gaz est représenté par le point d'intersection des courbes de pression et de température.
Une détente isentropique est facilement représentée par une ligne verticale. La variation d'enthalpie est lue sur l'axe d'ordonnée.
Une détente réelle est représentée par une ligne oblique joignant les points représentatifs des fluides en entrée et en sortie.

Trouver un diagramme de Mollier pour la vapeur sur le web

Utilisation de calculateurs

De nombreux outils permettent les calculs utiles au dimensionnement ou à l'exploitation d'une turbine à vapeur. On peut citer:

• les simulateurs de procédé (logiciels de flowsheeting: DWSIM, COCO, ... et autres logiciels commerciaux)
• des Add-In excel
• la page dédiée du site Process's

Types de turbines

Axiale ou Radiale

Contrairement aux machines volumétriques, l'écoulement est continu dans une turbine.

Action ou Réaction

Une turbine est constituée d'un ou plusieurs étages, chacun composé d'un aubage fixe ou distributeur (solidaire du stator), et d'un aubage mobile ou roue (solidaire de l'arbre en rotation ou rotor).
Deux types d'étage:

• Etage à action: Toute la détente est effectuée dans le distributeur. La roue qui suit utilise l'énergie cinétique de la vapeur détendue.
• Etage à réaction: Une partie de la détente est effectuée dans le distributeur, et le complément dans la roue.
  

Le taux de réaction est la proportion de variation d'enthalpie dans la roue. Il est généralement de 50%.

Une turbine à réaction nécessitera le double d'étages qu'une turbine à action, ce qui conduit à des machines plus volumineuses, plus lourdes et plus coûteuses.
Cependant, la construction des aubes d'un étage à réaction est plus simple que celles d'un étage à action. Le rendement d'une turbine à réaction est généralement meilleur que celui d'une turbine à action.

Il existe de part et d'autre de la roue d'un étage à réaction une différence de pression dont il faut tenir compte dans la construction.

Turbine type "Rateau"

Du nom de son inventeur, le français Auguste Rateau, c'est une turbine à action, multi-étagée. Elle est constituée de plusieurs étages dans lesquels la vapeur est détendue par étapes. Chaque étage est constitués d'un distributeur composé de tuyères, et d'une roue à aubes.  La détente se produit dans le distributeur. La multiplication des étages permet d'optimiser le rendement de la machine.

Turbine type "Curtis"

Une turbine "Curtis"  est une turbine à action, mono-étagée, composée d'un distributeur composé de tuyères suivi de plusieurs roues à aubes en rotation séparées par une roue statique à ailettes chargée de réorienter la vapeur. La détente se produit dans le distributeur.

Les turbines Curtis permettent des rendements élevés.

Contrôle de la vitesse

Dans une turbine à vapeur, la vitesse de rotation est influencée par la résistance mécanique sur l'arbre:

• si la charge mécanique augmente, la vitesse de rotation diminue
• si la charge mécanique diminue, la vitesse de rotation augmente

Comme pour toute machine rotative, une vitesse excessive peut générer des vibrations et de graves désordres mécaniques. De plus les équipements entraînés par les turbines (pompe, compresseur, alternateur, ...) ont souvent besoin d'une vitesse de rotation stable. Il est donc indispensable de maîtriser cette vitesse. 

La vitesse de rotation est régulée en agissant sur le débit de vapeur alimentant la turbine:

• pour diminuer la vitesse, on réduit le débit de vapeur
• pour augmenter la vitesse, on augmente le débit de vapeur

Le débit de vapeur ne doit pas être ajusté en agissant sur une vanne de laminage comme on le ferait pour alimenter un échangeur de chaleur. Cette méthode provoque une perte de charge sur le flux de vapeur et donc un abaissement de la pression alimentant le distributeur. Cette chute de pression serait perdue pour produire un travail mécanique. La consommation de vapeur ne serait pas ou peu réduite. Le rendement de la turbine serait dégradé.

Les turbines sont équipées de soupapes de distribution, sorte de vannes tout ou rien. Le choix du nombre de soupape de distribution en service permet d'ajuster le débit de vapeur, tout en préservant au mieux sa pression en amont des tuyères de distribution.

Echappement de la vapeur

L'échappement peut être:
- à condensation
la vapeur en aval de la turbine est condensée, ce qui permet d'être sous vide et donc d'utiliser au maximum l'énergie disponible de la vapeur. Cette configuration est surtout utilisée dans les centrales électriques, dans lesquelles une vapeur basse pression n'a pas d'utilité.
- à contre pression
la vapeur en aval de la turbine alimente un réseau en pression pour utilisation dans un procédé ou pour alimenter d'autres turbines à plus basse pression. Cette configuration est utile dans les industries de procédé, où les usages thermique de la vapeur sont fréquents. On obtient ainsi une co-génération d'énergie, mécanique (ou électrique) au moyen des turbines, et thermique.
- à extraction
la turbine est divisée en deux étages au moins entre lesquels une partie de la vapeur est extraite pour alimenter un réseau en pression. Cette configuration est une version plus sophistiquée de la précédente, visant à une co-génération d'énergie mécanique et thermique.

Table de propriétés de la vapeur d'eau

Ci-dessous les propriétés principales de l'eau et la vapeur à saturation et surchauffée:
 - Température d'ébullition de l'eau et de condensation de la vapeur à la pression
 - Enthalpies de l'eau liquide à son point d'ébullition
 - Enthalpie de la vapeur à son point de condensation
 - Enthalpie de la vapeur surchauffée