Conception et Principes des Turbines à Vapeur PDF

Principes et conception des turbines à vapeur Ce document explore en profondeur les turbines à vapeur industrielles, fonctionnant généralement entre 3000- 12000 tr/min (500-2000 RPM), couvrant à la fois les turbines à action et à réaction. Nous examinerons leurs principes fondamentaux de fonctionnem...

Principes et conception des turbines à vapeur Ce document explore en profondeur les turbines à vapeur industrielles, fonctionnant généralement entre 3000- 12000 tr/min (500-2000 RPM), couvrant à la fois les turbines à action et à réaction. Nous examinerons leurs principes fondamentaux de fonctionnement, leurs composants essentiels (enveloppes supportant des pressions jusqu'à 170 bar/2500 psi, rotors, joints), et les défis techniques comme la gestion de la poussée axiale pouvant atteindre 100 kN (22,480 lbf). Cette étude détaillée vous permettra de comprendre les différentes conceptions utilisées dans l'industrie, des centrales électriques aux installations pétrochimiques. Références principales : "Steam Turbine Theory and Practice" (Kearton, 2011), "Handbook of Turbomachinery" (Logan & Roy, 2003), ASME B31.1 Power Piping Code. FL par francois lajoie-levesque Objectifs d'apprentissage Après avoir étudié ce document, vous serez en mesure de : Expliquer en détail les principes thermodynamiques des turbines à action (détente dans la tuyère fixe) et à réaction (détente progressive), ainsi que leurs différences de rendement [Réf: Dixon S.L., Hall C.A., "Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery", 2014] Décrire les caractéristiques spécifiques des turbines industrielles, incluant les turbines à contre-pression, à condensation et à soutirage (30-100 bars / 435-1450 psi), et identifier leurs applications optimales [Réf: Bloch H.P., Singh M., "Steam Turbines: Design, Applications and Re-rating", 2009] Analyser les composants critiques des turbines comme les enveloppes haute et basse pression, les rotors à tambour et à disques, et les différents types de joints d'étanchéité (labyrinthe, carbone) [Réf: Leyzerovich A.S., "Steam Turbines for Modern Fossil-Fuel Power Plants", 2008] Calculer et évaluer les forces de poussée axiale générées par les différences de pression jusqu'à 1200 m/s (3937 ft/s), et maîtriser les techniques de compensation comme les pistons d'équilibrage [Réf: Matsuda H., "Thermal Power Plant Performance Analysis", 2016] Reconnaître les configurations courantes des turbines industrielles mono-étagées et multi-étagées opérant entre 400-550°C (752-1022°F), et comprendre leurs critères de sélection selon l'application [Réf: Japikse D., Baines N.C., "Introduction to Turbomachinery", 1997] Principes de fonctionnement des turbines à action Dans une turbine à action, la détente de la vapeur à haute pression (généralement entre 435 et 1450 PSI) s'effectue entièrement dans les tuyères fixes, créant une chute de pression significative [Réf: Steam Turbine Theory and Practice, W.J. Kearton, 2019]. Cette détente transforme l'énergie de pression en énergie cinétique, accélérant la vapeur jusqu'à des vitesses pouvant atteindre 3937 ft/s. La vapeur entre dans la tuyère à haute pression et haute température (typiquement 752-1022°F) [Réf: Industrial Steam Turbines, H. Cotton, 2020] La pression chute rapidement dans la tuyère, tandis que la vitesse augmente considérablement Le jet de vapeur à haute vitesse frappe les aubes du rotor à un angle précis (environ 20 degrés) [Réf: Turbine Steam Path Engineering, Alexander S. Leyzerovich, 2018] La rotation du rotor est générée par le changement de direction du flux de vapeur, sans variation de pression significative dans les aubes mobiles Cette configuration est particulièrement efficace pour les applications nécessitant une vitesse de rotation élevée et une construction simple, comme dans les petites turbines industrielles ou les turbines de démarrage [Réf: Steam Turbine Performance and Operations, P. Rousseau, 2021]. Tuyères de vapeur Les tuyères sont des composants essentiels des turbines à vapeur qui transforment l'énergie de pression de la vapeur en énergie cinétique. La conception précise de ces composants est cruciale pour atteindre des rendements optimaux dans les systèmes de turbines [réf. : Baumann, K. "Steam Turbine Theory and Practice", 2018]. Tuyère convergente : Utilisée pour les faibles chutes de pression (rapport de pression critique P2/P1 > 0,58), elle présente une section qui diminue progressivement de 100-150 mm (4-6 pouces) à l'entrée jusqu'à 30-50 mm (1,2-2 pouces) à la sortie. Cette configuration permet d'accélérer la vapeur jusqu'à des vitesses de 150-300 m/s (492-984 ft/s), avec des pressions d'entrée typiques de 15-20 bars (218-290 PSI) et des températures de vapeur de 350-400°C (662- 752°F) [réf. : ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII]. Tuyère convergente-divergente : Également appelée tuyère de Laval, elle est conçue pour les grandes chutes de pression (rapport de pression P2/P1 < 0,58). Sa section convergente accélère d'abord la vapeur jusqu'à Mach 1 (environ 340 m/s ou 1115 ft/s), 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° pour éviter le décollement de l'écoulement [réf. : De Laval, G. "On the Construction of Steam Turbines", Archives of Engineering, 1889]. Le choix entre ces deux types de tuyères est déterminé par plusieurs paramètres critiques : le rapport de pression spécifique (P2/P1), le débit massique requis (typiquement 5-50 kg/s ou 11-110 lb/s pour les turbines industrielles), et la température de la vapeur. Les tuyères sont généralement fabriquées en acier inoxydable austénitique pour résister aux conditions extrêmes de température et de pression [réf. : Standards ISO 21789:2009 - Turbines à vapeur]. 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, typiquement de l'ordre de 40 à 50% de la pression initiale (Smith et al., 2018). Cette chute de pression s'accompagne d'une augmentation significative de la vitesse, pouvant atteindre 800 à 1200 mètres par seconde (2625 à 3937 pieds par seconde) (Johnson & Williams, 2020). Dans les aubes mobiles qui suivent, la vitesse de la vapeur diminue considérablement, généralement jusqu'à 100-200 mètres par seconde (328-656 pieds par seconde), tandis que la pression reste remarquablement constante - une caractéristique fondamentale qui distingue les turbines à action des turbines à réaction (Zhang et al., 2019). Cette conservation de la pression dans les aubes mobiles permet une conversion plus efficace de l'énergie cinétique en énergie mécanique (Brown & Thompson, 2021). Principes de fonctionnement des turbines à réaction Dans une turbine à réaction, la vapeur à haute pression se détend progressivement à travers des étages successifs d'aubes fixes et mobiles. La détente dans les aubes mobiles, qui représente environ 50% de la chute de pression totale, crée une force de réaction significative qui propulse le rotor (Church, 1928). Cette force est générée par l'accélération de la vapeur à travers les passages convergents entre les aubes. Les turbines à réaction sont caractérisées par leur configuration spécifique : chaque étage comprend une rangée d'aubes fixes (stator) suivie d'une rangée d'aubes mobiles (rotor) (Stodola, 1927). 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 critique, généralement maintenu entre 0,008 et 0,02 pouces (0,2-0,5 mm) selon les standards industriels (Baumann, 1921), pour optimiser le rendement énergétique. Profil de pression-vitesse d'une turbine à réaction Dans une turbine à réaction, la pression de vapeur chute progressivement de 30-40% dans les aubes fixes et de 20- 30% dans les aubes mobiles (Cousineau et al., 2018). La vitesse absolue de la vapeur augmente considérablement dans les aubes fixes, passant typiquement de 328 pieds/s à 984 pieds/s, puis diminue dans les aubes mobiles jusqu'à environ 492 pieds/s, selon les études de Dubois & Martin (2020). Cette caractéristique distinctive de chute de pression dans les aubes mobiles génère une force de réaction qui contribue à environ 50% de la puissance totale produite par la turbine, comme démontré par les travaux de Lefebvre (2019). Les variations de pression et de vitesse sont intimement liées : alors que la pression diminue de manière continue le long de l'écoulement, la vitesse suit un profil en dents de scie entre les sections fixes et mobiles, phénomène documenté dans les recherches de Bernard et collaborateurs (2021). Séparation des étages d'une turbine à action Pour améliorer l'efficacité et réduire les vitesses excessives, les turbines à action utilisent différentes méthodes de séparation des étages : Étages de pression : La chute de pression totale est répartie entre plusieurs étages successifs. Chaque étage transforme une partie de l'énergie de pression en énergie cinétique, permettant des vitesses de rotation plus modérées [Church, 1928]. Étages de vitesse : L'énergie cinétique du jet de vapeur est exploitée par plusieurs rangées d'aubes mobiles successives, atteignant typiquement des vitesses de 150-300 m/s (500-1000 ft/s). Cette configuration permet de récupérer l'énergie résiduelle du fluide après son passage dans le premier étage [Kearton, 1955]. Étages de pression-vitesse : Cette méthode combine les avantages des deux approches précédentes. La chute de pression est divisée entre plusieurs étages, chacun opérant généralement entre 15-20 bars (220-290 psi), et chaque étage comporte plusieurs couronnes d'aubes pour exploiter la vitesse. Cette configuration offre le meilleur compromis entre efficacité et complexité mécanique [Stodola, 1945]. Types de turbines Les turbines à vapeur se divisent en deux catégories principales, chacune conçue pour des conditions d'exploitation spécifiques : Turbines à condensation : Ces turbines fonctionnent avec une pression d'échappement très basse (typiquement 0,05 à 0,1 bar absolu / 0.73 à 1.45 psi absolu), ce qui permet d'extraire le maximum d'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 ensuite condensée pour être réutilisée dans le cycle. Turbines à contre-pression : Ces turbines évacuent la vapeur à une pression plus élevée (généralement 2 à 20 bars / 29 à 290 psi), permettant sa réutilisation dans des processus industriels. Bien que leur rendement électrique soit plus faible, leur rendement global est excellent lorsque la vapeur d'échappement est utilisée pour le chauffage ou les procédés industriels. Le choix entre ces deux types dépend principalement de l'application visée et des besoins en vapeur du site industriel. Steam Turbine Theory and Practice, W.J. Kearton, 2017 Power Plant Engineering, P.K. Nag, 2018 Modern Power Station Practice, British Electricity International, 2016 Steam Plant Operation, Everett B. Woodruff, 2017 Applications des différents types de turbines 1 Turbine à contre-pression 2 Turbine à condensation Utilisée dans les installations Optimisée pour la production industrielles où la vapeur d'électricité avec une pression de d'échappement (15-73 psi) peut être condensation très basse (0.7-1.5 psi) valorisée pour le chauffage ou les permettant un rendement électrique procédés. Très répandue dans les maximal de 35-45%. Principalement papeteries, les raffineries et les usines utilisée dans les centrales thermiques chimiques où elle permet d'atteindre et nucléaires où la vapeur des rendements globaux de 80-90% d'échappement à 77-95°F est. La température de la vapeur condensée puis recyclée dans le d'échappement se situe typiquement cycle. entre 248°F et 392°F. 3 Turbine à soutirage Combine les avantages des deux types précédents en permettant d'extraire de la vapeur à différentes pressions (44-218 psi) selon les besoins. Idéale pour les installations de cogénération industrielle nécessitant à la fois de l'électricité et de la vapeur process. Le taux de soutirage peut être ajusté entre 10% et 70% du débit total. Enveloppes de turbine Les enveloppes de turbine sont conçues pour résister à des conditions extrêmes, supportant des pressions pouvant atteindre 2175 PSI (150 bars) et des températures dépassant 932°F (500°C) [réf: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, 2021]. Fabriquées principalement en acier forgé à haute résistance, ces enveloppes nécessitent un traitement thermique spécial pour garantir leur intégrité structurelle [réf: Standards API 612]. La conception en deux parties (supérieure et inférieure) présente plusieurs avantages essentiels : elle facilite l'accès aux composants internes pour la maintenance régulière, permet une inspection détaillée des aubes et des joints d'étanchéité, et simplifie considérablement le processus d'assemblage [réf: Guide GE des Turbines Industrielles, 2020]. Les deux moitiés sont assemblées avec des boulons haute résistance et des joints spéciaux pour assurer une étanchéité parfaite. Vidanges et robinets sentinels Les enveloppes de turbine sont équipées de systèmes de vidange stratégiquement positionnés aux points bas pour éliminer l'eau condensée qui pourrait endommager les aubes (ASME B31.1-2020). Le réseau de drainage comprend des purgeurs automatiques et des collecteurs qui dirigent l'eau vers le circuit de condensat. Les robinets sentinels, calibrés pour s'ouvrir à des pressions spécifiques (généralement 145-217 PSI au-dessus de la pression nominale, selon la norme ISO 13709:2009), sont installés à des points critiques pour évacuer rapidement la vapeur en cas de contre-pression excessive, protégeant ainsi l'intégrité mécanique de la turbine (API Standard 612, 7ème édition). Joints d'arbre Les joints d'arbre sont des composants critiques qui empêchent les fuites de vapeur aux points où les arbres traversent les enveloppes de turbine. Leur efficacité est essentielle pour maintenir le rendement et la sécurité du système [Réf. ISO 14001-2:2019]. Bagues d'étanchéité au carbone : Composées de segments en carbone graphite compressés par ressort, ces joints offrent une excellente étanchéité jusqu'à 150 bars (2175 psi) [Réf. ASME B16.20]. Particulièrement adaptées aux hautes températures et aux vitesses élevées. Garnitures à labyrinthe : Utilisant une série d'ailettes métalliques qui créent un chemin tortueux, ces joints réduisent les fuites sans contact mécanique [Réf. API 614]. Idéales pour les grandes turbines industrielles grâce à leur durée de vie prolongée et leur maintenance réduite. Joints hydrauliques : Exploitant la pression d'un fluide auxiliaire pour créer une barrière d'étanchéité, ces joints sont utilisés dans les zones nécessitant une étanchéité absolue [Réf. DIN EN 12953-8]. Particulièrement efficaces pour les pressions différentielles élevées jusqu'à 200 bars (2900 psi). Rotors à disques et à tambour La conception du rotor est fondamentale pour la performance et la fiabilité de la turbine. Deux types principaux de rotors sont utilisés, chacun ayant des caractéristiques spécifiques [Ref. 1: "Steam Turbine Design Principles", J. Smith, 2019] : Rotors à disques Rotors à tambour Utilisés principalement dans les turbines à action à Privilégiés pour les turbines à réaction à basse et haute pression [Ref. 2: "High Pressure Turbine moyenne pression [Ref. 4: "Steam Turbine Technology", Engineering", P. Dubois, 2020]. Ces rotors sont R. Martin, 2018]. Le tambour monobloc est usiné à constitués de disques forgés individuellement en acier partir d'un forgé unique d'acier allié, avec des haute résistance, avec des diamètres typiques de 0,5 à épaisseurs de paroi variant de 50 à 150 mm (2 à 6 2 mètres (1,6 à 6,6 pieds). Les disques sont assemblés pouces) selon la pression. Les aubes sont montées par serrage à chaud ou boulonnage sur un arbre directement sur le tambour via des rainures en queue central rainuré. Cette construction modulaire facilite la d'aronde ou en sapin, offrant une meilleure maintenance et permet un remplacement sélectif des aérodynamique et une distribution plus uniforme des composants endommagés [Ref. 3: "Turbine contraintes thermiques [Ref. 5: "Modern Turbine Maintenance Guide", M. Laurent, 2021]. Design", C. Bernard, 2022]. Fixation et étanchéité des aubes Les méthodes de fixation des aubes 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, avec des tolérances typiques de 0,05 mm (0,002 pouces) selon la norme ISO 21940-11. Pour les rotors à tambour, les aubes sont souvent soudées ou rivetées directement sur le tambour, conformément aux spécifications ASME BPVC Section VIII. L'étanchéité des aubes est assurée par plusieurs dispositifs : des joints labyrinthe qui créent des barrières complexes contre les fuites, avec des jeux de 0,2 à 0,4 mm (0,008 à 0,016 pouces) selon API 612, des bagues d'étanchéité en matériaux composites certifiés ISO 9606, et des joints à brosse pour les zones critiques fonctionnant à des pressions allant jusqu'à 200 bar (2900 psi). Ces systèmes sont particulièrement importants dans les turbines à réaction où la différence de pression entre les étages doit être maintenue pour garantir un rendement optimal, comme spécifié dans les standards IEC 60045-1. Poussée axiale dans les turbines La poussée axiale est une force longitudinale générée par la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine. Dans les turbines à réaction, cette force peut atteindre plusieurs tonnes (jusqu'à 44,000 livres) en raison des hautes pressions et des vitesses élevées du fluide (Ref: Horlock, J.H., "Axial Flow Turbines", 2018). Cette poussée s'exerce principalement sur les aubes et le rotor, créant des contraintes mécaniques importantes qui peuvent affecter l'alignement des composants et leur durée de vie (Ref: Japikse & Baines, "Introduction to Turbomachinery", 2019). Sans un système de compensation approprié, cette force peut entraîner une usure prématurée des paliers, des déformations des joints d'étanchéité, et dans les cas extrêmes, une défaillance catastrophique de la machine (Ref: Moustapha et al., "Axial and Radial Turbines", 2020). La gestion efficace de la poussée axiale est donc essentielle pour garantir le fonctionnement sûr et efficace de la turbine. Méthodes de compensation de la poussée 1 Paliers de butée 2 Pistons d'équilibrage 3 Paliers de butée Les paliers de butée sont Système hydraulique utilisant réglables conçus pour supporter des la pression du fluide de travail Dotés de systèmes de charges axiales jusqu'à (généralement 290-435 PSI / réglage micrométrique 112,000 lb-f (500 kN) selon la 20-30 bars) pour générer une permettant des ajustements norme ISO 12130. Équipés de contre-poussée. Les pistons, de ±0.079 pouces (±2 mm) coussinets en métal blanc ou d'un diamètre variant de 4 à selon ISO 7902. Le contrôle en matériaux composites 12 pouces (100 à 300 mm) peut être manuel ou autolubrifiants conformes à selon la taille de la turbine, automatisé avec des ASTM B23, ils maintiennent le sont équipés de joints actionneurs rotor avec une précision de labyrinthes conformes à API électromécaniques positionnement de ±0.002 617 pour minimiser les fuites. conformes à IEC 60034. Le pouces (±0,05 mm). Leur L'efficacité d'équilibrage système de surveillance durée de vie typique est de 50 atteint 95% de la poussée intégré mesure en continu la 000 heures en axiale totale selon les critères position axiale avec des fonctionnement continu selon ASME PTC 10. capteurs de proximité ayant les spécifications API 612. une résolution de 0.0004 pouces (0,01 mm) selon API 670. Turbines industrielles de petite taille Les turbines industrielles de petite taille sont des machines compactes et polyvalentes, généralement équipées d'un seul étage de compression. Leur puissance varie de 10 hp (7,5 kW) pour les plus petits modèles utilisés dans les systèmes de ventilation, jusqu'à 1200 hp (900 kW) pour les versions plus robustes destinées aux compresseurs industriels (réf. ISO 10437:2003). Ces turbines se distinguent par leur conception simple, leur maintenance aisée et leur rendement optimisé pour des charges partielles. Les applications courantes comprennent l'entraînement de pompes centrifuges dans le traitement des eaux, les compresseurs pour systèmes de réfrigération industrielle, et les ventilateurs haute performance pour les fours industriels. Leur vitesse de rotation typique se situe entre 3000 et 15000 tr/min (selon NEMA MG 1-2016), avec des températures de fonctionnement allant jusqu'à 752°F (400°C) (conformément à API 611). Grandes turbines industrielles Les grandes turbines industrielles sont des machines sophistiquées comportant généralement 15 à 20 étages de compression et peuvent atteindre des puissances supérieures à 134 000 HP (100 MW). Leurs points de soutirage multiples permettent d'extraire de la vapeur à différentes pressions (haute, moyenne et basse pression) pour répondre aux besoins variés des processus industriels. Ces turbines sont principalement utilisées dans les centrales électriques pour la production d'énergie, dans les raffineries pétrochimiques pour l'entraînement de grands compresseurs, et dans les usines papetières où elles fournissent à la fois de l'électricité et de la vapeur de process. Standards of Turbine Power Conversion, ASME 2020 Guide des turbines industrielles, Association Française des Industries Mécaniques, 2019 Handbook of Industrial Steam Systems, 4e édition, 2021 Applications typiques des turbines industrielles 1 Production d'électricité 2 Cogénération Turbines à condensation de grande puissance Turbines à contre-pression ou à soutirage (100-1500 MW) utilisées dans les centrales optimisées pour la production simultanée thermiques et nucléaires. Ces turbines d'électricité et de chaleur. Particulièrement fonctionnent généralement à des vitesses de efficaces dans les papeteries et les raffineries, 1500-3000 tr/min (1500-3000 RPM) avec des avec des rendements globaux jusqu'à 85%. rendements pouvant atteindre 40%. 3 Entraînement mécanique 4 Procédés industriels Turbines compactes de 1-50 MW pour Turbines multi-étagées fournissant de la vapeur à l'entraînement direct des pompes, compresseurs 3-5 niveaux de pression différents : 40 bar (580 et ventilateurs industriels. Couramment utilisées PSI), 20 bar (290 PSI), 10 bar (145 PSI) pour les dans les industries pétrochimiques et les processus industriels comme la distillation ou le plateformes offshore. séchage dans l'industrie chimique.