Turbine a Vapeur classe 3

Principes et conception des turbines à vapeur

• Ce document aborde en profondeur les turbines à vapeur industrielles :
  • Fonctionnant généralement entre 3000 et 12000 tr/min.
  • Couvrant les turbines à action et à réaction.
• L'étude couvre :
  • Les principes fondamentaux de fonctionnement.
  • Les composants essentiels (enveloppes supportant des pressions jusqu'à 170 bar).
  • Les défis techniques comme la gestion de la poussée axiale (jusqu'à 100 kN).

Objectifs d'apprentissage

Aprés avoir étudié ce document, vous serez en mesure de:

• Détailler les principes thermodynamiques des turbines à action et à réaction.
• Décrire les caractéristiques spécifiques des turbines industrielles, incluant celles à contre-pression, à condensation et à soutirage
• Analyser les composants critiques des turbines. Calculer et évaluer les forces de poussée axiale et maîtriser les techniques de compensation.
• Reconnaitre les configurations courantes des turbines industrielles et comprendre leurs critères de sélection.

Principes de fonctionnement des turbines à action

• Dans une turbine à action, la détente de la vapeur à haute pression (435 et 1450 PSI) s'effectue dans des tuyères fixes
• Cela crée une chute de pression significative convertissant l'énergie de pression en énergie cinétique
• La vapeur accélère jusqu'à des vitesses de 3937 ft/s.
• La vapeur entre dans la tuyère à haute pression et haute température (752-1022°F).
• La pression chute rapidement dans la tuyère, augmentant considérablement la vitesse.
• Le jet de vapeur frappe les aubes du rotor à un angle d'environ 20 degrés.
• La rotation du rotor est générée par le changement de direction du flux de vapeur, sans variation de pression dans les aubes mobiles.
• Cette configuration est particulièrement efficace pour les applications nécessitant une vitesse de rotation élevée et une construction simple.

Tuyères de vapeur

• Les tuyères sont des composants essentiels transformant l'énergie de pression de la vapeur en énergie cinétique.
• Une conception précise est cruciale pour atteindre des rendements optimaux.
• Tuyère convergente :
  • Utilisée pour les faibles chutes de pression (rapport de pression critique P2/P1 > 0,58).
  • Section diminuant progressivement de 100-150 mm à l'entrée à 30-50 mm à la sortie.
  • Accélère la vapeur jusqu'à 150-300 m/s, pressions d'entrée typiques de 15-20 bars et températures de vapeur de 350-400°C.
• Tuyère convergente-divergente :
  • Conçue pour les grandes chutes de pression (rapport de pression P2/P1 < 0,58).
  • La section convergente accélère la vapeur jusqu'à Mach 1, puis la section divergente permet une expansion supersonique contrôlée jusqu'à Mach 2-3.
  • L'angle de divergence optimal se situe entre 12° et 15°
• Le choix entre les tuyères convergente et convergente-divergente est déterminé par plusieurs critères :
  • Le rapport de pression spécifique P2/P1.
  • Le débit massique requis (typiquement 5-50 kg/s pour les turbines industrielles).
  • La température de la vapeur.
• Les tuyères sont fabriquées en acier inoxydable austénitique pour résister aux conditions extrêmes.

Profil de pression-vitesse d'une turbine à action

• Dans une turbine à action, la vapeur subit une chute de pression importante dans les tuyères fixes (40 à 50 % de la pression initiale).
• Cette chute de pression accroît significativement la vitesse (800 à 1200 mètres par seconde).
• Dans les aubes mobiles, la vitesse de la vapeur diminue considérablement (100-200 mètres par seconde).
• La pression reste remarquablement constante dans les aubes et la conservation de la pression permet une conversion efficace de l'énergie cinétique en énergie mécanique.

Principes de fonctionnement des turbines à réaction

• Dans une turbine à réaction, la vapeur à haute pression se détend progressivement à travers les étages successifs fixes et mobiles.
• La détente dans les aubes mobiles crée une force de réaction significative qui propulse le rotor.
• Les turbines à réaction sont caractérisées par une rangée d'aubes fixes (stator) suivie d'une rangée d'aubes mobiles (rotor).
• Les aubes sont profilées de manière à former des canaux convergents, permettant une détente continue et efficace de la vapeur.
• L'espacement entre les aubes est maintenu entre 0,2 et 0,5 mm selon les normes.

Profil de pression-vitesse d'une turbine à réaction

• La pression de vapeur chute de 30 à 40 % dans les aubes fixes et de 20 à 30 % dans les aubes mobiles.
• La vitesse absolue de la vapeur augmente considérablement dans les aubies fixes (100 à 300 m/s), puis diminue dans les aubes mobiles
• Cette caractéristique crée une force de réaction qui contribue à environ 50 % de la puissance totale.
• La vitesse suit un profil en dents de scie entre les sections, alors que la pression diminue en continue au long de l'écoulement.

Séparation des étages d'une turbine à action

• Afin d'améliorer l'efficacité et de réduire les vitesses excessives, les turbines à action mettent en œuvre différentes stratégies de segmentation par phase.
• Étages de pression :
  • La baisse de pression totale est répartie sur plusieurs étages successifs.
  • Chaque étage convertit une partie de l'énergie de pression en énergie cinétique, ce qui permet de réduire les vitesses de rotation.
• Étages de vitesse :
  • L’énergie cinétique provenant du jet de vapeur est exploitée par de multiples rangées consécutives d’aubes mobiles.
  • Typiquement, les vitesses varient de 150 à 300 m/s.
  • Cette technique contribue à récupérer l’énergie résiduelle du fluide après son passage dans la première phase.
• Étages de pression-vitesse :
  • Fusionne les avantages des deux approches précédentes.
  • La baisse de pression est divisée en plusieurs étages, au sein desquels chacun fonctionne généralement entre 15 et 20 bars.
  • Chaque étage intègre de multiples couronnes d’aubes pour exploiter la vitesse, assurant ainsi un équilibre entre l’efficacité et la complexité mécanique.

Types de turbines

• Les turbines à vapeur se divisent en deux catégories principales, conçues pour des conditions d'exploitation spécifiques.
• Turbines à condensation :
  • Fonctionnent avec une pression d'échappement très basse (0,05 à 0,1 bar absolu).
  • Permettent une extraction maximale de l'énergie de la vapeur.
  • Le rendement thermodynamique est optimisé grâce à la grande différence de pression entre l'entrée et la sortie.
  • La vapeur est condensée puis réutilisée.
• Turbines à contre-pression :
  • Évacuent la vapeur à une pression plus élevée (2 à 20 bars).
  • Permettent sa réutilisation dans des processus industriels.
  • Leur rendement électrique est plus faible, mais leur rendement global est excellent lorsque la vapeur d'échappement est utilisée pour le chauffage ou les procédés industriels.
• Le choix dépend principalement de l'application visée et des besoins en vapeur du site industriel.

Applications des différents types de turbines

• Turbine à contre-pression :
  • Utilisée dans les installations industrielles où la vapeur d'échappement peut être valorisée pour le chauffage ou les procédés.
  • Permet d'atteindre des rendements globaux de 80-90 %.
• Turbine à condensation :
  • Optimisée pour la production d'électricité avec une pression de condensation très basse (0,7-1,5 psi).
  • Principalement utilisée dans les centrales thermiques et nucléaires.
• Turbine à soutirage :
  • Combinaison des avantages des deux types précédents permettant d'extraire de la vapeur à différentes pressions.
  • Idéale pour les installations de cogénération industrielle.

Enveloppes de turbine

• Les enveloppes de turbine sont conçues pour résister à 150 bars et à 500°C.
• Elles sont fabriquées en acier forgé à haute résistance nécessitant un traitement thermique spécial.
• La conception en deux parties (supérieure et inférieure) facilite l'accès aux composants internes et simplifie l'assemblage.
• Les deux moitiés sont assemblées avec des boulons haute résistance et des joints spéciaux pour une étanchéité parfaite.

Vidanges et robinets sentinels

• Les enveloppes de turbines sont équipées de systèmes de vidange stratégiquement positionnés aux points bas pour éliminer l'eau condensée.
• Le réseau de drainage comprend des purgeurs automatiques et des collecteurs.
• Les robinets sentinels, calibrés pour s'ouvrir à des pressions spécifiques (généralement 145-217 PSI au-dessus de la pression nominale) sont installés à des points critiques pour protégeant l'intégrité de la turbine.

Joints d'arbre

• Les joints d'abre empêchent les fuites de vapeur aux points où les arbres traversent les enveloppes de turbine.
• Bagues d'étanchéité au carbone :
  • Composées de segments en carbone graphite compressés par ressort, offrant une excellente étanchéité jusqu'à 150 bars.
  • Adaptées aux hautes températures et aux vitesses hautes.
• Garnitures à labyrinthe :
  • Utilisent des ailettes métalliques créant un chemin tortueux pour réduire les fuites sans contact.
  • Idéales pour les grandes turbines en raison de leur durée de vie prolongée.
• Joints hydrauliques :
  • Exploitant la pression d'un fluide auxiliaire pour créer une barrière d'étanchéité.
  • Efficaces pour les pressions différentielles élevées jusqu'à 200 bars.

Rotors à disques et à tambour

• La conception du rotor est fondamentale.
• Deux types principaux sont utilisés, chacun adapté à des conditions spécifiques.
• Rotors à disques :
  • Principalement utilisés dans les turbines à action à haute pression.
  • Constitués de disques forgés assemblés par serrage à chaud ou boulonnage sur un arbre central rainuré.
  • La construction modulaire facilite la maintenance.
• Rotors à tambour :
  • Privilégiés pour les turbines à réaction à basse et moyenne pression
  • Ils sont usinés à partir d'une pièce unique d'acier allié.
  • Les aubes sont montées directement sur le tambour, offrant une meilleure aérodynamique et une distribution uniforme des contraintes thermiques.

Fixation et étanchéité des aubes

• Les méthodes de fixation varient selon le type de turbine.
• Pour les rotors à disques, les aubes sont généralement fixées par des attaches en queue d'aronde ou des fixations à sapin.
• Pour les rotors à tambour, elles sont soudées ou rivetées.
• L'étanchéité des aubes est assurée par des joints labyrinthe, des bagues d'étanchéité en matériaux composites et des joints à brosse.
• Ces systèmes sont importants dans les turbines à réaction où la différence de pression entre les étages doit être maintenue pour garantir un rendement optimal.

Poussée axiale dans les turbines

• La poussée axiale est une force longitudinale causée par la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'une turbine.
• Cette force peut atteindre plusieurs tonnes , ce qui affecte potentiellement l'alignement des pièces et leur durée de vie.
• Sans un système de compensation, on note une usure prématurée des paliers, voire une défaillance catastrophique.
• La bonne gestion de la poussée axiale est donc vitale pour assurer un fonctionnement sûr et une efficacité durable de la turbine à long terme.

Méthodes de compensation de la poussée

• Paliers de butée :
  • Conçus pour supporter des charges axiales jusqu'à 500 kN selon la norme ISO 12130.
  • Ils maintiennent le rotor avec une précision de ±0,05 mm et ont typiquement une durée de vie de 50 000 heures.
• Pistons d'équilibrage :
  • Système hydraulique utilisant la pression du fluide de travail (20-30 bars) pour générer une contre-poussée.
  • L'efficacité d'équilibrage atteint 95 % de la poussée axiale totale selon les critères ASME PTC 10.
• Paliers de butée réglables :
  • Dotés de systèmes de réglage micrométrique permettant des ajustements de ±2 mm selon ISO 7902.
  • Le système de surveillance intégré mesure en continu la position axiale avec des capteurs de proximité ayant une résolution de 0,01 mm selon API 670.

Turbines industrielles de petite taille

• Les petites turbines compactes ont généralement un seul étage de compression.
• Leur puissance varie de 7,5 kW à 900 kW.
• Ces turbines se distinguent par une conception simple, une maintenance aisée et un rendement optimisé pour des charges partielles.
• Les applications courantes comprennent l'entraînement de pompes, les compresseurs pour systèmes de réfrigération et les ventilateurs haute perfomance.
• Une vitesse de rotation se situe entre 3000 et 15000 tr/min.

Grandes turbines industrielles

• Les grandes turbines comportent généralement 15 à 20 étages de compression et peuvent atteindre des puissances supérieures à 100 MW.
• Leurs points de soutirage multiples permettent d'extraire la vapeur à différentes pressions.
• Elles sont principalement utilisées dans les centrales électriques, les raffineries et les usines papetières.

Applications typiques des turbines industrielles

• Production d'éléctricité:
  • Turbines à condensation de grande puissance (100-1500 MW).
  • Ces turbines fonctionnent à des vitesses de 1500-3000 tr/min avec des rendements allant jusqu'a 40%.
• Cogénération:
  • Turbines à contre-pression ou à soutirage optimisées pour la production d'électricité et de chaleur.
  • On les retrouve dans les papeteries et les raffineries, avec des rendements globaux de 85%.
• Entraînement mécanique:
  • Turbines de 1 à 50 MW pour l'entraînement des pompes.
• Couramment mises en œuvre dans les industries pétrochimiques et les plateformes offshore.
• Procédés industriels:
  • Turbines multi-étagées alimentant 3 -5 niveaux de pression différents.
  • Surtout utilisées pour les procédés industriels comme la distillation et le séchage en industrie chimique.