Cours sur les Turbines à Vapeur - Première Classe, Quatrième Leçon

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### CONSTRUCTION DE LA TURBINE À VAPEUR (Première partie) ### TYPES DE TURBINE ET APPLICATIONS Première classe Quatrième leçon Il existe beaucoup de possibilités pour adapter une turbine aux exigences d'une centrale thermique. C'est un avantage marqué si o...

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### CONSTRUCTION DE LA TURBINE À VAPEUR (Première partie) ### TYPES DE TURBINE ET APPLICATIONS Première classe Quatrième leçon Il existe beaucoup de possibilités pour adapter une turbine aux exigences d'une centrale thermique. C'est un avantage marqué si on pense aux besoins variés en matière de bilan thermique de l'industrie moderne. La figure 1 illustre un nombre d'applications importantes qui sont en usage. Les turbines sont divisées en deux classes générales soit : celles qui évacuent à une pression sous la pression atmosphérique, ce sont les **UNITÉS À CONDENSATION**, et celles qui évacuent à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique, les **UNITÉS SANS CONDENSATION**. Dans certaines unités, la vapeur ne passe pas toute à l'échappement. Souvent, une partie de la vapeur est soutirée ou purgée à un ou plusieurs points, après avoir fait du travail par dilatation, et elle est utilisée pour réchauffer l'eau d'alimentation. Il s'agit d'un cycle de régénération et l'unité s'appelle une turbine de purge. De façon presque identique, la vapeur peut être soutirée à un ou plusieurs points pour être utilisée comme vapeur dans un procédé à des pressions prédéterminées. Ceci exige un contrôle automatique de la quantité de vapeur fournie à la section de la turbine avec la plus basse pression. C'est ce qu'on appelle l'extraction automatique par opposition aux turbines de purge, où la pression aux points de purge varie avec la charge. Il peut y avoir entre un et huit points de purge, mais l'extraction nécessite généralement seulement un ou deux niveaux à basse pression. Voyons maintenant chaque application. Les turbines à condensation directe sont utilisées là où la production de puissance constitue l'exigence principale, où la vapeur pour un procédé est peu ou pas nécessaire et où l'eau de refroidissement est disponible. La figure 2 représente une turbine type à condensation directe à un cylindre fabriquée par Brown Boveri. Cette machine comporte une roue à action à vitesse combinée (Curtis) suivie d'un aubage à réaction à plusieurs étages. La poussée axiale engendrée dans la section de réaction dans la direction du débit de vapeur est équilibrée par un piston d'équilibrage installé en avant de la roue à action. La turbine de purge illustrée à la figure 3 est du type à condensation directe fabriquée par Générale Électrique. Notez les trois points de purge qui fournissent de la vapeur à différentes pressions aux réchauffeurs d'eau d'alimentation dans un cycle de régénération. La première roue de la turbine est une roue Curtis, à vitesse combinée, et les onze autres roues sont du type Rateau ou à étages de pression combinée. Remarquez l'aubage d'une tuyère divergente dans les trois dernières rangées. Les avantages et les calculs pour les cycles de régénération feront l'objet d'une leçon subséquente. La figure 4 est une illustration type de plusieurs applications, légèrement modifiées, comme le nombre de points d'extraction et le type de commande. La machine est une turbine Allis-Chalmers avec deux points d'extraction. Deux roues à action sont utilisées, une en aval des étages de réaction à haute pression et l'autre en aval des étages à basse pression. La puissance nominale de la turbine est de 4000 kW à 3600 r/min. Ces machines peuvent être adaptés comme suit: 1. **Pression mixte** - où il y a une alimentation limitée de vapeur à basse pression qui dépasse les exigences de certains procédés de travail dans la centrale. Les commandes sont disposées de sorte que l'excès de vapeur à basse pression est complètement utilisé avant l'admission de vapeur à haute pression. 2. **Extraction à pression mixte** - semblable au point précédent sauf que si la demande en vapeur du procédé à basse pression dépasse l'alimentation, la vapeur est évacuée de la section à haute pression pour répondre aux besoins du procédé. Un rendement amélioré de la centrale résulte de la production de puissance à partir du surplus de vapeur à basse pression ou de l'utilisation de vapeur extraite pour les procédés. 3. **Extraction automatique simple** - utilisée lorsque de grandes quantités variables de vapeur du procédé à basse ou moyenne pression sont exigées. Le reste est évacué à un condenseur ou est sans condensation avec l'échappement répondant aux besoins des procédés à pression plus basse. 4. **Extraction automatique double ou triple** - employée lorsque plusieurs niveaux de pression du procédé sont nécessaires, habituellement avec des charges variables, et peut être à condensation ou sans condensation. Le générateur est normalement relié à un système d'alimentation de sorte que sa production varie selon les demandes en vapeur du procédé. La figure 5 montre une turbine sans condensation directe de 1100 kW. Construite par Terry, c'est une turbine à action. La première roue est à vitesse combinée (Curtis) et les huit autres étages sont du type à action à pression combinée (Rateau). Il s'agit d'une turbine de type courant utilisée là où la demande en vapeur à pression plus basse est élevée; l'unité peut être mise en parallèle de manière que sa production varie directement avec les exigences de la vapeur du procédé. Son système de réglage est sensible seulement aux basses pressions de la vapeur du procédé de sorte que si les besoins en vapeur tombent sous la charge électrique, la charge électrique additionnelle provient d'une autre source. La figure 6 illustre une turbine superposée ou à extraction à 15 étages à action. Conçue pour des contre-pressions très élevées, sa construction est solide. Au moment d'agrandir une centrale, l'ingénieur est souvent confronté à des turbines à pression modérée plus anciennes qui sont presque aussi efficaces qu'une turbine à basse pression moderne. Afin de récupérer une partie de l'investissement initial et pour obtenir un rendement global pratiquement identique à une centrale à haute pression, on a recours à une turbine à extraction. Une chaudière à haute pression est installée pour alimenter la turbine à extraction qui à son tour évacue à l'ancien système à pression moyenne. Une turbine à basse pression qui fonctionne à l'autre extrémité de l'échelle de pression d'une unité à extraction est illustrée à la figure 7. Lorsqu'il y a une alimentation uniforme de vapeur à basse pression de l'échappement de moteurs alternatifs ou d'autres sources qui seraient autrement évacuées à l'atmosphère, le rendement de la centrale est amélioré et la capacité accrue en installant une turbine à basse pression et un condenseur. Puisqu'il n'y a pas d'augmentation de demande en vapeur, c'est une source de puissance économique. Ces turbines comportent peu de roues de grand diamètre. La turbine de la figure comprend six étages à action et son échappement ascendant est relié à un condenseur barométrique. Ceci conclut l'application générale des turbines. Les unités d'application spéciale seront traitées plus loin. Dans les conceptions plus petites, la chute de chaleur totale se produit dans l'enveloppe, mais dans les grandes unités ce n'est pas pratique du point de vue de changement de température et de pression. Dans ces cas, les machines sont conçues avec des cylindres séparés à pression haute, intermédiaire ou basse, et une portion de la dilatation de la vapeur se déroule dans chaque cylindre. Les cylindres sont alors combinés; cette combinaison prend un nombre différent de formes dont quelques-unes sont illustrées à la figure 8. Il y a 2 types de base : la turbine **À SIMPLE LIGNE D'ARBRES** et la turbine **À DEUX LIGNES D'ARBRE**. Dans la turbine à simple ligne d'arbres illustrée à la figure 9, les cylindres sont séparés les uns des autres, mais sont sur le même axe axial. Les rotors sont solidement boulonnés ensemble ou reliés par un raccord flexible entre les rotors à pression intermédiaire et à basse pression. Dans la turbine a deux lignes d'arbre, les unites a haute et basse pression sont completement separees, chacune commandant des alternateurs individuels comme à la figure 10. Notez le parcours suivi par la vapeur dans chacune des unités. Dans les deux cas, les cylindres à basse pression sont du type à écoulement double, la vapeur entre au centre et circule dans les deux sens vers les bâches d'échappement. La capacité qui peut être obtenue d'une turbine à une enveloppe à un écoulement est limitée puisque la production maximale dépend de l'aire de sortie du dernier étage. Pour y arriver, la longueur des aubes peut être accrue; cependant, la longueur actuelle de 660 mm pour les machines à 3600 r/min et de 1100 mm pour les machines à 1800 r/min, représente la longueur maximale en raison des limites de contraintes. L'autre possibilité et celle à laquelle on a souvent recours, consiste à augmenter le nombre de parcours ouverts à la vapeur à basse pression. Dans la figure 9, on utilise un cylindre à basse pression à écoulement double. La vue en coupe (a) de la figure 10 montre l'arbre à haute pression et la vue (b), l'arbre à basse pression d'une turbine à deux lignes d'arbre. Dans le dernier cas, deux cylindres à écoulement double permettent une production élevée à partir de gros volumes de vapeur à basse pression. Ceci s'applique seulement aux grandes unités puisque les pertes à la sortie d'une machine à un cylindre sont excessives au-delà de 50 000 kW (50 MW). L'aubage à réaction prédomine dans les turbines plus grandes particulièrement dans les sections à basse pression. Les machines sont toutefois extrêmement longues, comme c'est le cas pour certaines turbines européennes, en raison du grand nombre de rangées d'aubes. Afin de réduire efficacement le nombre d'étages dans l'extrémité à haute pression, on a souvent recours à une grande chute de pression initiale en faisant de la première roue un étage à action à vitesse combinée (Curtis). Cette caractéristique est montrée aux figures 9 et 10. Le roulement d'une turbine fait vraiment du chemin. Un roulement d'un diamètre de 200 mm fonctionnant à 3600 r/min a une vitesse de surface de 130 km/h. Un tel roulement peut devoir fonctionner continuellement pendant disons cinq ans au cours desquels il parcourt plus de 5 600 000 km, et ce, en s'usant très peu. Il s'agit donc d'unités de précision qui exigent le meilleur soin en service. Dans cette leçon nous traiterons des exigences particulières pour les turbines. Les caractéristiques de conception générale feront l'objet d'une leçon subséquente sur la lubrification. Les logements des roulements sont habituellement à corps solide, boulonnés séparément au corps coulé principal ou formant une partie intégrante du corps. La rigidité et l'alignement sont des considérations importantes; l'affaissement des rotors dans les unités plus grandes (causant le mauvais alignement des roulements) est corrigé par des roulements auto-centreurs. Les petites turbines emploient souvent des roulements à billes à une ou deux rangées, du type à rainure profonde, où la poussée axiale est minimale, ou à double rangée, à poussée angulaire pour celles dont le chargement est plus lourd au bout du rotor. Il faut prendre soin d'utiliser un bon roulement et de l'installer correctement afin d'éviter un bris prématuré. Habituellement, le roulement à une extrémité du rotor de la turbine est installé de manière rigide dans le logement et il absorbe la poussée axiale, alors que l'autre extrémité a un mouvement limité dans une direction axiale pour permettre la dilatation et la contraction différentielles entre le rotor et l'enveloppe. La figure 11 illustre un roulement à double rangée du côté commande. Le niveau du réservoir à huile est maintenu suffisamment haut pour permettre aux billes de prendre de l'huile à leur position la plus basse. Les joints de l'arbre empêchent la saleté et l'humidité d'entrer et gardent l'huile à l'intérieur. Les turbines comportent des paliers à douille de toutes les tailles. Les paliers des petites machines sont habituellement du type à fente horizontale à garniture antifriction, comme celui illustré à la figure 12, muni d'un ou de plusieurs anneaux graisseurs. Le refroidissement est accompli par un grand réservoir à huile ou une chemise d'eau faisant partie de la pièce coulée du palier, en prévoyant la circulation de l'eau de refroidissement. Les roulements du type automoteur, comme celui représenté à la figure 13, sont populaires lorsque la lubrification se fait par pompe. Une face mince antifriction de grande qualité est renforcée d'une enveloppe en acier, ce qui offre une capacité de charge et une conductivité thermique élevées. Ce type de roulement donne un excellent service lorsqu'il y a une alimentation continue en huile propre. Toutes les grandes turbines utilisent des paliers à douille à garniture antifriction. Ils s'avèrent les plus fiables et ils exigent un minimum d'entretien et d'attention. Correctement conçus, ils possèdent un coefficient de frottement très bas; des essais donnent en moyenne des résultats de 0,005 à 1800 r/min à une température et à une charge de service normales. La figure 14 represente un palier lisse principai type pour une grande turbine. ii comporte un bloc en acier coulé à garniture antifriction contenu dans une enveloppe fendue. Quatre blocs en acier sont boulonnés et calés à l'enveloppe permettant ainsi l'alignement initial dans toutes les directions. La surface extérieure de ces blocs est usinée pour y installer un siège à alésage sphérique dans la chaise du palier. Comme nous l'avons mentionné précédemment, les rotors lourds au repos ou en rotation lente tendent à s'affaisser ce qui entraîne en retour le grippage comme l'illustre la figure 15 si la caractéristique d'auto-centrage est omise. Le bloc intérieur en acier coulé à garniture antifriction, qui est usiné avec précision, peut être remplacé par une unité de rechange sans déranger le roulement d'alignement initial. Les unités utilisées sont presque sans exception du type à douille garni d'un métal antifriction à base d'étain. La lubrification est du type à film fluide et il n'existe pas de conditions de graissage limite sauf à une vitesse très basse au démarrage et à l'arrêt de la machine. Le palier de butée maintient la position axiale de l'arbre par rapport au cylindre. Il s'agit d'un élément essentiel dans une turbine à vapeur. Les aubes à action produisent peu de poussée axiale pourtant aucun mouvement axial de l'arbre ne doit être perçu. Les aubes à réaction produisent une poussée axiale grenée qui est équilibrée dans la plupart des unités par un piston d'équilibrage déchargeant ainsi le palier de butée d'une partie de la charge. Cependant, puisqu'un palier de butée bien conçu peut porter des charges élevées, on réduit souvent la taille du piston d'équilibrage plaçant donc plus de charge sur la butée. Ceci garde la butée dans la même direction et permet un réglage plus serré des aubes pour un rendement supérieur. Dans les petites unités, comme celle de la figure 14, le roulement à billes porte les charges axiale et radiale. Puisque les aubes sont à action, la charge axiale est faible. Les paliers lisses à anneau graisseur, comme celui de la figure 16, sont munis de bagues réglables fixées à l'arbre. Dans certaines installations, une butée à billes est placée entre les bagues et le roulement. La butée du type automoteur de la figure 17 est surfacée d'une mince couche de métal antifriction sur les faces de la bride. Elle sert de contre-roulement à celui illustré à la figure 13. Pour les turbines plus grandes, il existe deux types généraux de butée couramment utilisés soit : **BUTÉE CONIQUE** et **KINGSBURY ou MICHELL**. Dans la butée conique du schéma (a) de la figure 18, une bague de grand diamètre absorbe la poussée dans les deux directions. Le schéma (b) illustre la théorie du fonctionnement. La forme conique des butées accumule un coin d'huile forçant le collier loin du contact métal à métal. Le roulement lui-même est compris dans un anneau rotatif et un anneau fixe. Dans la butée Kingsbury des figures 19 et 20 emploie un nombre de segments qui sont libres de balancer. Puisque le point de pivot est légèrement décentré, un coin d'huile est établi et chaque segment prend automatiquement sa part de la charge. La conception de la butée Michell est semblable, comme vous pouvez le constater aux figures 21 (a) et 22. Dans chaque cas, soit les figures 18 (b), 19 (b) et 21 (b), la théorie fondamentale est identique et chaque butée exige une alimentation copieuse en huile propre et tiède à la surface de l'arbre circulant vers l'extérieur par les surfaces de la butée. Des variations d'assemblage se produisent dans les deux types. La figure 18 comprend la butée comme faisant partie du roulement principal auto-centreur et utilise seulement une bague à double côté. La figure 20 emploie deux bagues de butée séparées comme partie du roulement principal. Dans d'autres types, un collet séparé éloigné du roulement principal est utilisé, comme l'illustre la figure 22. La moitié supérieure de l'anneau des patins de butée a été déplacée vers le bas de l'arbre pour une meilleure vue. Les butées coniques et Kingsbury sont des unités de précision et peuvent être remplacées sans effort. Normalement, on entrepose des patins de butée additionnels et un ensemble de coussinets de palier. Dans le palier de butée Michell de la figure 21 (a) et (b), la surface de portée est divisée en un nombre de patins, chacun étant libre de prendre un léger angle par rapport au plan de rotation. Un débit continu d'huile est maintenu par le roulement à partir du système de lubrification. Le roulement est conçu pour permettre à l'huile de recirculer avec le roulement et d'assurer ainsi l'injection d'huile sur toutes les surfaces de travail. Une pression différentielle existe à plusieurs points dans la turbine moyenne. Les fuites de vapeur dans ces points augmentent le taux de vapeur et doivent donc être réduites au minimum. Par exemple, à l'extrémité à haute pression, l'étanchéité de l'arbre est un problème important causé par la vapeur qui tente de s'échapper à l'atmosphère. À l'extrémité à basse pression des unités sans condensation, la tendance de la vapeur à s'échapper est beaucoup moindre. D'autre part, l'infiltration d'air à ce point dans les unités à condensation doit être éliminée puisque l'air dans le condenseur augmente la contre-pression dans l'unité ainsi que le fardeau de l'équipement d'élimination d'air. De plus, les pistons d'équilibre de par leur nature tendent à avoir des fuites de vapeur. Ces fuites existent également entre les diaphragmes et les arbres d'une turbine à action et aux bouts des aubes entre l'enveloppe et le rotor d'une machine à réaction. Les points de fuite dans une machine à action sont indiqués à la figure 23. Il existe quatre méthodes d'étanchéité des pièces rotatives : 1. le presse-étoupe, 2. les anneaux au carbone, 3. les joints labyrinthes, et 4. les joints d'eau. Bien qu'il soit utilisé de manière universelle dans les pompes centrifuges, le presse-étoupe n'est employé que très rarement et seulement sur les turbines les plus petites. Un joint efficace est produit par une série d'anneaux au carbone à ressort. La figure 24 (a) illustre quatre anneaux installés dans un presse-étoupe ou contenant. La figure 24 (b) entaillée pour permettre l'installation d'une cheville pour empêcher la rotation. Le ressort entoure l'anneau ce qui permet un réglage radial mais empêche le mouvement axial. Les espaces libres sont extrêmement rapprochés et le graphite (carbone) est autolubrifiant. L'assemblage général pour une petite turbine est illustré à la figure 25. Un anneau au carbone est en place et trois autres doivent être insérés. Le roulement principal du type automoteur à renforcement solide est également illustré. Dans les grandes machines, un plus grand diamètre de l'arbre augmente la vitesse de surface au-delà des limites des anneaux au carbone. Les joints à labyrinthes s'avèrent très efficaces dans ce cas. Le principe consiste essentiellement à réduire la fuite en un nombre suffisant d'étapes, selon la chute de pression en cause, chacune produisant des courants de Foucault qui réduisent la vitesse de la vapeur dans l'espace libre précédent. Ces courants et les trois bandes labyrinthes sont indiqués à la figure 26. En pratique, jusqu'à 30 ou 40 bandes sont nécessaires pour absorber suffisamment la pression dans le presse-étoupe avec un débit de vapeur le plus petit possible. Les anneaux au carbone et les joints labyrinthes réduisent mais n'éliminent pas la fuite de vapeur aux points où l'arbre sort de l'enveloppe. Un joint d'eau utilisé avec ceux-ci offre un joint positif efficace. Ce joint, illustré à la figure 31, est plutôt simple dans son application puisqu'il s'agit simplement d'une roue de pompe centrifuge fixée à l'arbre de la turbine. L'eau de refroidissement (normalement du condensat) est alimentée à la roue qui accumule un anneau d'eau sous pression centrifuge à sa périphérie formant ainsi un joint positif. Les inconvénients sont que le joint n'est pas efficace avant que la turbine atteigne sa vitesse de marche et il y a formation de tartre si l'eau n'est pas libre d'impuretés, et ce, en raison de l'augmentation de la température. Dans le cas des unités à température élevée, l'eau relativement froide a un effet indésirable sur l'arbre du rotor chaud. Un fait important pour le mécanicien de machines fixes demeure : en comparaison, le joint à garniture de vapeur est presque automatique et exige peu d'attention dans les cas d'urgence. Un rotor de turbine est constitué de différentes manières, soit : 1. un forgeage plein; 2. un cylindre creux; et 3. une série de disques installés sur un arbre central ou une série de disques soudés ensemble à leur périphérie extérieure. Le type choisi pour une turbine particulière dépend de la taille physique de la machine, de son type (action ou réaction), de sa vitesse de rotation et de sa température de marche. 1. **Les rotors pleins forgés** sont utilisés dans les turbines à action et à réaction. Dans le type à action, ils prennent la forme d'un arbre plein muni de disques pour l'aubage, le tout usiné d'un forgeage plein comme dans la figure 32. Dans le type à réaction, le rotor, y compris les pistons d'équilibrage, est usiné d'un forgeage plein et les aubes sont dans des rainures dans la surface du rotor. Les rotors des turbines à réaction sont normalement disposés de manière à avoir une surface cylindrique continue sur laquelle sont installées les aubes. D'autre part, les aubes des machines à action sont sur des disques. Dans la turbine à action, la pression de vapeur doit être égale à l'entrée et à la sortie des aubes mobiles et, par le fait même, égale des deux côtés du disque qui les porte. Des trous sont percés dans les disques afin de s'assurer que c'est bien le cas et pour éviter la possibilité de vibration des disques causée par les différences de pression sur ceux-ci. (Consultez la figure 35.) En raison de leur masse, les rotors pleins forgés sont restreints aux petites machines ou aux cylindres à haute pression de petit diamètre des machines de grande taille. Un trou est normalement percé axialement dans le centre de l'arbre pour permettre une inspection intorna an vua da décaler les défauts de forgeage Des exemples de rotors pleins forgés sont illustrés à la figure 32, qui montre une turbine à action avec arbre et disques usinés d'un forgeage, et à la figure 33, qui représente une turbine à action et réaction avec un rotor plein portant les aubes à réaction, les étages de vitesse et les pistons d'équilibrage. Notez dans ce cas le trou d'inspection percé au centre. 2. **Les rotors à cylindre creux** comportent des sections alésées et pressées ensemble. Dans la figure 34, le rotor à haute pression consiste en deux sections et le rotor à basse pression en trois sections. Cette construction est préférée dans les grandes machines à réaction puisqu'elle permet de fixer les aubes directement sur un rotor de grand diamètre et de faible masse. De plus, la dilatation différentielle entre le rotor et l'enveloppe, au réchauffement de la machine, est minimisée puisqu'un rotor léger se dilate plus rapidement qu'un rotor plein. 3. **Les rotors à disques** sont construits comme celui de la figure 35 avec des disques séparés installés et clavetés à un arbre central. Cette construction est utilisée dans les machines à action de plus petite puissance. Le desserrement possible des disques causé par les changements de température et le fait que le disque est considérablement affaibli par son trou central représentent les désavantages de ces rotors. Les disques du rotor à disques sont soudés ensemble à la circonférence comme dans la figure 36, sans arbre central. La construction est à la fois solide et légère. La figure 9 illustre une turbine avec des rotors à basse pression et à pression intermédiaire construits de cette façon. S'il était possible de construire un rotor de turbine de sorte qu'il soit un corps absolument symétrique, son équilibre serait parfait et il n'y aurait aucune vibration causée par la masse déséquilibrée. Toutefois, des erreurs d'équilibrage surviennent dans les rotors réels en raison des différences de densité du matériau, de l'usinage et des différences de masses des aubes. Ces erreurs sont réduites au minimum par un travail soigné et en équilibrant le rotor complet de manière statique (équilibré au repos) et dynamique (équilibré en mouvement) avant la mise en service. L'équilibrage statique est fait en supportant les paliers lisses de l'arbre sur des couteaux de balance transversaux mesurant la tendance du rotor à rouler, puis en ajoutant ou en enlevant la masse nécessaire pour corriger le problème. L'équilibrage dynamique est effectué après l'équilibrage statique dans une machine munie de supports de roulement flexibles. Le rotor atteint sa vitesse à l'aide d'un moteur électrique et par essai, en ajoutant et en enlevant la masse et en faisant un nouvel essai. Un équilibre final est obtenu de sorte que le rotor fonctionne de manière parfaitement uniforme à sa vitesse de calcul. **Note** L'excentricité d'un rotor bien équilibré qui a atteint sa vitesse ne dépasse pas 0,025 mm ou 0,05 mm. L'arbre d'une turbine, supporté entre ses deux roulements, ressemble à une corde de piano qui vibre à une fréquence naturelle s'il est pincé. De même, la rotation de l'arbre a une fréquence naturelle selon sa rigidité, comme l'illustre la figure 37. Si l'arbre tourne, une force déséquilibrée tourne en même temps et tend à déformer l'arbre. À mesure que la vitesse augmente, la déformation augmente et en approchant une vitesse particulière (correspondant à la fréquence naturelle de l'arbre), la déformation augmente très rapidement et peut suffire à causer la courbure permanente de l'arbre. Cette vitesse particulière porte le nom de **VITESSE CRITIQUE**. Elle est déterminée dans les étapes de conception de la machine selon la longueur de l'arbre entre les supports et son diamètre ou sa rigidité. Si on approche rapidement de la vitesse critique, la déformation n'a pas assez de temps pour croître et au-dessus de cette vitesse, la déformation commence à diminuer jusqu'à un fonctionnement uniforme. Un rotor de turbine peut avoir plus d'une vitesse critique. Les autres apparaissent à mesure que l'arbre prend les formes illustrées de manière exagérée à la figure 38. Il s'agit là des deuxième, troisième et quatrième vitesses critiques. Après avoir passé la première vitesse critique, l'arbre se rétablit jusqu'à ce qu'il approche de la deuxième vitesse critique. Il commence alors à plier selon la courbe illustrée avec un point nodal au centre de sa longueur illustré sur le diagramme par L/2. La vitesse de marche se situe généralement entre la première et la deuxième vitesse critique. Certains rotors courts peuvent toutefois être si raides que la vitesse de marche est inférieure à la première vitesse critique. Dans certains cas, les rotors de turbine tendent à perdre leur rectitude lorsqu'ils sont chauffés. Plusieurs fabricants protègent les rotors contre cette instabilité thermique en chauffant le rotor pendant qu'il tourne lentement et en mesurant l'excentricité pendant le processus. La plupart des rotors tendent à courber sous l'effet de la chauffe, la déformation augmentant avec la température jusqu'à un point, puis diminuant jusqu'à ce que l'arbre soit presque droit. Il reste ainsi pendant le refroidissement et ne montre pas de tendance à courber lorsque la chauffe est répétée. Cette opération se déroule avant de commencer l'aubage et elle constitue une précaution additionnelle contre la vibration du rotor en service. Lorsqu'un rotor de turbine s'arrête après que la machine est mise hors de charge, une stratification de température se produit et le rotor peut courber en raison d'un refroidissement inégal. Un vireur de démarrage est installé dans les machines plus grandes de sorte que le rotor puisse tourner entre 15 et 20 r/min pendant la période de refroidissement. Les figures 39 et 40 illustrent des exemples de cet équipement. Il est également avantageux d'utiliser ce vireur pendant la période de réchauffement après une mise hors de charge. Le vireur de démarrage produit un effet de ventilateur dans l'enveloppe et empêche les inégalités de température qui se produiraient sans cela. Il permet aussi à la turbine d'atteindre sa vitesse sans délai ou crainte de vibration. L'effort nécessaire pour démarrer un rotor au repos est plus grand que celui exigé pour le maintenir en rotation. Pour les grandes unités, le travail du vireur de démarrage est réduit et les roulements sont protégés lorsque la turbine est mise en marche par une pompe à haute pression. Cette pompe est habituellement du type à piston-plongeur qui donne un faible débit mais à une pression élevée, entre 7000 kPa et 10 500 kPa. Le refoulement de chaque piston-plongeur va au centre du fond de chaque roulement de rotor lourdement chargé et il est suffisant pour soulever l'arbre loin du métal blanc et pour établir un film d'huile. Une fois que la turbine tourne, la pompe à piston-plongeur est arrêtée et l'alimentation en huile lubrifiante maintenue par la pompe à huile auxiliaire. Des accouplements flexibles sont souvent employés pour relier le rotor d'une turbine à l'arbre de la machine commandée ou pour relier entre eux les rotors des turbines à simple ligne d'arbre. Ils sont conçus pour absorber la dilatation différentielle des arbres causée par les changements de température et, dans une certaine mesure, tout désalignement qui se produit en raison du tassement de l'assise et autres. Les figures 41 à 45 illustrent des exemples de ces accouplements. Dans la figure 41, les brides sont clavetées sur les arbres. Les boulons d'accompagnement sont vissés dans une bride et des bagues de caoutchouc munies d'âmes métalliques sont installées sur les bouts lisses des boulons. Les bagues doivent avoir un petit espace libre dans les trous de l'autre bride d'accompagnement. La figure 42 illustre un accouplement dans lequel la commande entre deux arbres est prise par un manchon d'accouplement en acier forgé boulonné aux deux moyeux des arbres. Le manchon est rigide mais donne une flexibilité latérale limitée. Les figures 43 et 44 représentent des accouplements du type à griffe ou à dent dans lesquels les moyeux d'arbre sont dentés autour de la périphérie. Le manchon possède un ensemble appareillé de dents pour assurer la commande tout en permettant le mouvement longitudinal relatif entre les arbres. Dans la figure 45, un ressort en acier trempé constitue la commande entre les deux moyeux clavetés aux arbres. Les profils des aubes à action et à réaction ont déjà été vus dans une leçon précédente. Les méthodes de construction et de fixation au rotor de la turbine sont importantes. Les aubes rotatives doivent résister à la contrainte produite par la force centrifuge et à la contrainte causée par la force motrice de la vapeur, et ce, que ce soient des aubes à action ou à réaction. Ces forces sont les plus élevées dans les aubes à basse pression des machines à grande production. Des exemples des méthodes employées pour fixer les aubes aux rotors des turbines sont donnés à la figure 46 qui montre des aubes à action individuelles avec une racine du type à chevauchement et à la figure 47 qui représente des aubes à réaction du type composé. Dans ce cas, l'aubage est fabriqué en segments en assemblant quelques longueurs de bandes d'aubes roulées dans une section d'espacement et en les brasant ensemble. Un anneau de renforcement est fixé en rivant une section échelonnée de bout d'aubes qui projette par des rainures correspondantes dans l'anneau de renforcement. Les sections d'aubage sont ensuite installées dans les rainures dentelées et fixées avec des pièces de garniture. L'installation de bandage sur des aubes à action est illustrée à la figure 46. Le bandage est utilisé dans les étages à haute température du rotor. Dans le cas des turbines à réaction, il est arrangé avec des ailettes saillantes radiales et axiales pour réduire au minimum les jeux des aubes et empêcher ainsi la fuite de la vapeur. Ces ailettes sont représentées à la figure 48; cet aubage est souvent appelé aubage à extrémité resserrée. Le bandage donne une force de support aux aubes en plus d'empêcher la fuite de vapeur. Dans les étages à pression plus basse de la turbine où le support est plus important que l'étanchéité, un fil d'entrelacement est utilisé, comme aux figures 49 et 50. Les aubes de la turbine doivent être d'un matériau qui résiste aux températures élevées dans les étages d'entrée et aux basses températures, mais aux contraintes élevées due à la rotation dans les étages d'échappement. Le matériau le plus courant de nos jours est une forme d'acier inoxydable à faible teneur en carbone, souvent appelé fer inoxydable, d'une teneur en chrome d'environ 12% et en carbone de 0,1%. Ce matériau est fort, résistant à la corrosion et à l'érosion et il peut être forgé, usiné et soudé. L'érosion sur les aubes de la turbine est causée par les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur qui fronnant las oubas Elle ast particulièrement évidente dans les étages à hasse pression de ia turvine ou la vapeur devient partieiiement humine dans sa Gilatation. Co pourcentage d'humidité peut être de l'ordre de 10% de sorte que le problème d'érosion devient assez important. L'aubage à action prend cet effet plus uniformément sur la face des aubes que l'aubage à réaction qui entre en contact avec les gouttelettes d'eau principalement dans une zone concentrée au bord d'entrée des aubes. Des plaques de garde contre l'érosion, en un matériau dur mais fragile comme l'acier au tungstène ou le stellite, sont souvent installées sur cette partie des aubes dans les dernières rangées de l'aubage à basse pression dans les machines à réaction. Vous pouvez les voir sur les aubes de la figure 50. L'illustration de la figure 51 montre l'évolution au fil des ans dans les longueurs des aubes à basse pression de la dernière rangée. Expliquez les termes suivants par rapport aux types de turbines : de soutirage, à extraction, à pression mixte et superpos