turbine a vapeur

Principes et Conception des Turbines à Vapeur

• La présentation détaille les principes et la conception des turbines à vapeur
• Exploration des types de turbines, leur fonctionnement et leurs composants
• La présentation cible les mécaniciens de machines fixes du Québec pour un apprentissage approfondi des turbines

Principes de Marche des Turbines à Action

• La détente de la vapeur à haute pression dans une tuyère fixe réduit la pression et accélère la vapeur
• La vapeur sort de la tuyère en jet à haute vitesse
• Une aube de turbine de forme appropriée change la direction de la vapeur
• Le changement de direction du débit de vapeur engendre une impulsion mécanique sur l'aube , ce qui la déplace
• Si l'aube est fixée au rotor, le rotor se met à tourner
• Les turbines contiennent des tuyères fixes et des aubes mobiles autour du rotor
• Une force est appliquée à l'aube en modifiant la direction d'écoulement de la vapeur, suivant la deuxième loi de Newton

Tuyères et Augets d'une Turbine à Action

• Un auget, ou aube mobile, convertit l'énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique pour faire tourner l'arbre sur le rotor
• Les turbines à action ont une vitesse très élevée, causant une force centrifuge extrême et des pertes importantes dues au frottement
• L'impulsion mécanique résultant du changement de force vive est essentielle à la rotation

Tuyères de Vapeur

• Les tuyères sont fabriquées en Monel
• Le Monel est un alliage de nickel-cuivre résistant
• Chaque tuyère est conçue individuellement pour une détente optimale de la vapeur selon la pression et la température
• Deux types de tuyères sont utilisés pour les turbines à vapeur : convergentes et convergentes-divergentes
• Les passages de vapeur vers les tuyères sont situés à l'extérieur de l'enveloppe
• La tuyère convergente convient aux faibles chutes de pression
• Lorsque la chute de pression augmente, la vapeur accélère jusqu'à atteindre la pression critique, soit 0,577 fois la pression d'entrée

Tuyère Convergente-Divergente

• Une tuyère convergente-divergente est utilisée pour les grandes chutes de pression
• La pression à la partie la plus étroite, le col, doit être à la pression critique
• La pression continue de diminuer dans la partie divergente
• La tuyère convergente-divergente manipule n'importe quelle chute de pression pour atteindre la vitesse calculée sans courants de Foucault

Profil de Pression-Vitesse d'une Turbine à Action

• La pression diminue et la vitesse augmente dans les tuyères fixes
• La vitesse diminue mais la pression reste constante lors du passage dans les aubes mobiles
• La pression ne diminue pas dans les aubes mobiles, ce qui est la caractéristique distinctive de la turbine à action
• La pression à l'entrée des aubes mobiles est égale à celle à la sortie

Principes de Marche d'une Turbine à Réaction

• Si les aubes mobiles d'une turbine sont conçues pour que la vapeur se détende et que sa pression diminue en y passant, une réaction produit une force sur les aubes
• Cet effet est illustré avec un contenant rempli de vapeur à haute pression
• Si une ouverture d'échappement existe, la vapeur se détend et crée une pression déséquilibrée et une force de réaction
• La vapeur se détend dans les aubes fixes pour gagner de la vitesse à mesure que la pression diminue
• Ensuite la vapeur entre dans les aubes mobiles où son écoulement change

Turbine à Réaction Pure

• Elle a des rangées d'aubes fixes et mobiles alternées
• La vapeur se détend d'abord dans les aubes fixes où la pression diminue
• La vapeur entre ensuite dans les aubes mobiles où la direction de son écoulement change, produisant une force sur les aubes
• Cette force résulte de la troisième loi de Newton

Aubes de Réaction

• L'aube de réaction d'une turbine à vapeur a un grand angle d'entrée de 90° et un petit angle de refoulement
• Le bord d'attaque est arrondi contrairement à l'aube à action
• L'aube a un bord de fuite long et conique avec un bord convexe qui devient droit ou presque
• L'aube de réaction a une forme plus arrondie qu'une aube à action pour une meilleure détente de la vapeur

Profil de Pression-Vitesse d'une Turbine à Réaction

• La illustration représente la disposition des aubes et les variations de pression et de vitesse de la vapeur
• La pression de vapeur diminue dans les aubes fixes et mobiles
• La vitesse absolue augmente dans les aubes fixes
• Elle diminue dans les aubes mobiles
• La pression diminue dans les aubes mobiles, ce qui est la particularité de la turbine à réaction
• Il en résulte une différence de pression entre l'entrée et la sortie des aubes mobiles

Aspects Particuliers des Turbines à Réaction

• Il y a une variation de pression dans les aubes mobiles
• La vapeur a tendance à fuir autour des bords des aubes au lieu de les traverser
• Les jeux des aubes doivent donc rester minimes
• Une poussée se développe sur le rotor à cause de la chute de pression
• Un dispositif compense cette force
• La conception de ces turbines doit tenir compte des jeux et des mécanismes d'équilibrage

Séparation des Étages d'une Turbine à Action

• L'objectif est de réduire la vitesse de la vapeur et des aubes
• La problématique est la présence de vitesses excessives et des forces centrifuges élevées
• La condition idéale est que la vitesse des aubes soit la moitié de la vitesse de la vapeur
• Les solutions sont d'utiliser des étages de pression, de vitesse, ou de pression-vitesse
• Pour transférer l'énergie cinétique aux aubes mobiles, la vapeur doit sortir des aubes à la vitesse la plus faible possible
• Si la vapeur se détend de la pression d'admission à la pression d'échappement dans un seul étage, la vitesse de la vapeur atteint environ 1100 m/s, nécessitant une vitesse des aubes de 550 m/s

Étages de Pression

• Les étages de pression réduisent la vitesse de la vapeur et des aubes en divisant la chute de pression en au moins deux étapes
• Un ensemble de tuyères fixes suivi d'un disque à rotor avec aubes définit un étage de pression
• La vapeur traverse un premier groupe de tuyères où la pression diminue et la vitesse augmente
• Ensuite la vapeur traverse les aubes mobiles où la pression demeure constante et la vitesse diminue à près de zéro
• Cette configuration augmente le rendement et diminue les pertes par frottement, tout en supportant une grande variété de conditions de vapeur d'entrée

Étages de Vitesse

• La turbine est constituée d'un groupe de tuyères fixes et d'un rotor avec deux groupes d'aubes rotatives séparés par un groupe d'aubes fixes
• La chute de pression totale se produit dans le groupe d'aubes fixes
• Le 1er groupe d'aubes rotatives réduit la vitesse de la vapeur de près de moitié
• Les aubes fixes redirigent ensuite la vapeur vers le 2e groupe d'aubes rotatives
• La vitesse des aubes rotatives équivaut à la moitié de la vitesse des aubes d'une turbine à action à un seul étage
• Les aubes du 2e groupe rotatif sont environ deux fois plus grandes que celles du 1er groupe

Étages de Pression-Vitesse

• La pression et la vitesse sont réduites en plusieurs étapes dans une turbine à étages de pression-vitesse
• Plusieurs turbines à pression-vitesse sont dans une seule enveloppe
• La diminution de pression entre l'entrée et le condenseur est divisée entre deux groupes de tuyères
• Chaque groupe alimente une turbine à étages de vitesse
• Les étages de pression-vitesse permettent d'utiliser des pressions de vapeur élevées pour obtenir une vitesse de rotation plus faible

Applications de la Turbine à Action

• Dans les grandes turbines à action, il est fréquent d'avoir un 1er étage de vitesse suivi de plusieurs étages de pression dans la même enveloppe
• La pression diminue à mesure que la vapeur se détend dans les tuyères, et reste constante dans les aubes mobiles
• Ces machines conviennent pour une puissance avec contrôle efficace

Types de Turbines

• Il y a deux classes principales de turbines, à condensation (fonctionnant à des pressions inférieures à la pression atmosphérique) et à contrepression (fonctionnant à la pression atmosphérique ou en haut)
• Il existe quatre types de base : turbine à condensation à un écoulement, turbine à condensation à double écoulement, turbine à soutirage et/ou à action automatique, et turbine à contre-pression
• Plusieurs aménagements sont possibles lors de l'installation d'une turbine dans une centrale

Turbine à Condensation à un Écoulement

• Elle exige peu de vapeur pour une puissance donnée, idéale pour les situations où l'économie de vapeur est essentielle
• Elles sont privilégiées dans les centrales électriques et plusieurs installations industrielles en raison de leur efficacité énergétique et leur conception simple

Turbine à Condensation à Double Écoulement

• Elle permet des puissances et des vitesses plus élevées que le type a condensation à un écoulement
• Les applications nécessitant une grande puissance sont adaptées à ce type de turbine

Turbine à Soutirage et/ou à Action Automatique

• Elles sont utilisées dans les installations où les besoins en vapeur varient
• Elles combinent les meilleures particularités, condensation et à contre-pression
• Elle déplace et accepte la vapeur à une pression définie

Turbine à Contre-Pression

• Elle fournit de la vapeur de procédé aux niveaux de pression désirés
• Elle est utilisée lorsque toute ou presque toute la vapeur d'échappement peut être utilisée pour le procédé ou le chauffage
• Un poste de régulation maintient le collecteur du procédé à la pression nécessaire et maintient constante la pression de la vapeur d'échappement
• On retrouve cette conception en usines avec des postes de réduction entre une chaudière et un collecteur de vapeur

Turbine à Condensation

• Ces machines évacuent la vapeur à une pression inférieure à la pression atmosphérique vers un condenseur
• La vapeur est condensée avec de l'eau de refroidissement
• Le condensat est renvoyé vers la chaudière comme eau d'alimentation
• Ce type de turbine est utilisé lorsque la vapeur d'échappement ne peut être utilisée
• Une quantité minimale de vapeur est nécessaire

Turbine à Soutirage à Condensation

• La vapeur, jusqu'à 2% de la vapeur totale, peut être extraite à un ou plusieurs points pour des utilisations spécifiques
• Elles diminuent les pertes au condenseur
• Elles réduisent les pertes du condenseur en soutirant de la vapeur, principalement pour chauffer l’eau d’alimentation, améliorant l’efficacité globale du cycle thermodynamique

Turbine à Condensation à Pression Mixte

• La vapeur de procédé est appliquée à la partie basse pression
• De la vapeur, à la pression de la chaudière, peut être ajoutée à la partie haute pression selon les besoins
• Cette configuration permet de manipuler efficacement la charge de la génératrice en fonction des besoins énergétiques

Turbines à Soutirage

• La vapeur, une fois extraite des turbines de soutirage, est conservée à un ou plusieurs points à une pression régulière
• Elles comprennent la condensation à soutirage simple ou double ou à contre-pression à soutirage simple ou double
• Elles peuvent être utilisées pour chauffer d'eau

Turbines Superposées

• Elles remplacent les chaudières à basse pression
• Elles sont utilisées quand les vieilles chaudières à basse pression sont remplacées par des chaudières à haute pression
• La turbine est à contre-pression pour l'entraînement mécanique ou électrique
• Ces dispositifs sont fabriqués sur commande et permettent des adaptations précis aux conditions d'installation

Turbines Compound Transversales

• Les turbines compound transversales, de grandes turbines avec une génératrice sur chaque arbre
• La vapeur s'écoule dans la turbine à haute pression
• Avant d'être évacuée à la turbine à basse pression
• Dans une turbine compound transversale à double écoulement, la vapeur entre dans le milieu de la turbine à basse pression avant de se disperser à chaque extrémité
• Un avantage est qu'il est plus simple de construire deux génératrices réduites qu'un grand appareil

Turbines Compound en Tandem

• Elles consistent en de grandes turbines reliées ensemble sur un seul arbre
• La vapeur est dirigée à une génératrice de la turbine haute pression à la turbine basse pression pour utiliser la vapeur de manière optimale
• Cette configuration est adaptée aux installations où efficacité et la compacité sont importantes

Enveloppes de Turbine

• Les enveloppes de turbine doivent résister à la déformation sous des pressions et températures élevées dans des conditions de marche
• L'objectif est de maintenir constants les jeux libres des aubes et des garnitures à labyrinthe et de préserver l'alignement du rotor
• Les enveloppes ou cylindres à plan de joint axial facilitent l'assemblage et l'inspection
• Les enveloppes sont en matériaux épais (fonte pour basses pressions, acier au carbone coulé pour pressions intermédiaires, et acier allié coulé pour hautes pressions)

Enveloppes en Deux Parties

• Les joints d'enveloppe sont étanches à la vapeur, et les faces usinées des brides sont en contact étroit
• Les brides des enveloppes sont épaisses et se réchauffent lentement
• La chauffe de la bride est effectuée avec de la vapeur circulant dans les conduits
• Le support de la ligne des centres permet la dilatation et la contraction de l'enveloppe tout en gardant l'alignement
• Le support est crucial au bon fonctionnement de la turbine

Enveloppe Double

• Elle est utilisée pour les applications avec de la vapeur à haute pression
• La pression est appliquée à l'enveloppe intériere
• La turbine s'échappe vers l'enveloppe extérieure, qui contribuent à la perte de pression et température, aidant turbine à fonctionner de façon plus efficace.

Vidange d'Enveloppes de Cylindre

• La pression de vapeur et les températures ont réduit le pourcentage d'humidité de la vapeur à l'échappement
• Une humidité de 14% est tolérée
• L'enveloppe d'un cylindre permet d'évacuer l'eau vers le condenseur grace à des rainures qui aident à évacuer l'eau

Robinets Sentinels

• Un robinet sentinel évacue la vapeur à l'extérieur des locaux à l'atmosphère et protège l'enveloppement de la haute pression
• Empêche la défaillance du robinet parce que le robinet d'évacuation est fermé pendant le démarrage
• Aide à éliminer le condensat pendant le démarrage, améliorant l'efficacité

Joints d'Arbre

• Empêchent la fuite de la vapeur et assurent que les arbres sont protégés
• Pour une turbine à vide, elle empêche l'air de s'infiltrer dans le périmètre
• Le carbone est employé, mais limité à moins de 150 millimètres d'unité de diamètre

Garnitures à Labyrinthe

• Employées pour de grandes turbines
• Anneaux d'un millimètre d'épaisseur
• Le bord se frottera et se cassera s'il y a le moindre désalignement

Joints Hydrauliques

• Elle prévient les fuites autour d'un arbre
• Basée sur un rotor, avec de l'eau projetée vers l'extérieur sur l'enveloppement
• Le joint ne peut pas travailler aux basses vitesses, donc les joints hydrauliques peuvent être employés où il y a assez de vitesse