Pour les articles homonymes, voir Turbine (homonymie) .

Une turbine est un dispositif rotatif concu pour convertir de l' energie interne d'un fluide en energie mecanique au moyen d' aubes disposees sur un arbre tournant a grande vitesse . Le fluide peut etre liquide (comme l' eau ) ou gazeux ( vapeur , air , gaz de combustion). C'est la grande vitesse qui fait la difference principale entre la turbine, apparue au XIX ^e  siecle dans le cadre de la revolution industrielle , et des machines egalement rotatives et concues pour convertir l'energie d'un fluide en energie mecanique mais bien plus anciennes que sont les moulins a vents , moulins a eau , eoliennes , roues a aubes , etc.

L'energie entrante du fluide est caracterisee notamment par sa vitesse , sa pression , son enthalpie , qui en sortie de la machine seront reduites. On distingue deux types de turbines : les turbines a action extraient essentiellement de l' energie cinetique du fluide (exemple : turbine Pelton ), tandis que dans les turbines a reaction la pression du fluide joue le role principal (exemples : turbine Francis , turbine a gaz ).

L'energie mecanique sortante de la turbine entraine un autre mecanisme rotatif comme un alternateur , un compresseur , une pompe ou tout autre recepteur (exemple un generateur ). L'ensemble est alors respectivement appele turbo-alternateur , turbocompresseur , turbopompe ,  etc.

De nos jours les turbines sont au coeur des centrales electriques ou des turboreacteurs par exemple. Leur fabrication mobilise les connaissances, les competences et les machines les plus pointues, pour leur permettre de resister a des pressions, des temperatures et des vitesses de rotation extremes. Ces deux considerations en font des pieces essentielles, et sensibles, du systeme economique et industriel.

Etymologie [ modifier | modifier le code ]

En latin turbo, -inis , cognat du grec τ?ρβη de meme sens, signifie ce qui tourne en rond, tourbillon, vortex, cyclone . En 1822 c'est sur cette base que Claude Burdin definit la turbine comme ≪ roue motrice munie d'aubes, d'ailettes, etc. sur lesquelles on fait agir la pression ou la vitesse d'un fluide (eau, vapeur ou gaz) ≫ dans son memoire ≪ Des Turbines hydrauliques, ou Machines rotatoires a grande vitesse ≫ ^{[ 1 ]} qu'il presente a l' academie des sciences . Burdin concut la premiere turbine, une turbine hydraulique, qui fut construite par de ses eleves, Benoit Fourneyron .

Turbine a vapeur [ modifier | modifier le code ]

Principes generaux de fonctionnement [ modifier | modifier le code ]

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La turbine a vapeur est un moteur a combustion externe fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius - Rankine . Ce cycle se distingue par le changement d’etat affectant le fluide moteur, qui est en general de la vapeur d'eau , generalement chauffee par la combustion de charbon ou de fioul ^{[ 2 ]} .

Ce cycle comprend au moins les etapes suivantes :

• l’eau est mise en pression par une pompe pour etre envoyee vers la chaudiere  ;
• l’eau est chauffee, vaporisee et surchauffee .

Des que cette vapeur doit etre utilisee, elle effectue les etapes suivantes :

• la vapeur se detend en fournissant de l' energie cinetique , que la turbine convertit en energie mecanique  ;
• la vapeur detendue se condense au contact d'une source froide sous vide partiel ^{[ 3 ]} .

Le fluide utilise est donc le meme que celui de la machine a vapeur a pistons , mais la turbine en constitue une evolution exploitant les principaux avantages des turbomachines , a savoir une puissance massique et une puissance volumique elevees, et un rendement ameliore par la multiplication des etages de detente.

La turbine a vapeur est l’aboutissement d’un type de machines thermiques introduit par les machines a vapeur a piston. Les contraintes inherentes a leur conception restreignent generalement leur usage a l'industrie. Dans ce cas on obtient de l'electricite bon marche car l' energie thermique n'est pas ≪ gaspillee ≫ dans un condenseur . Ces turbines sont appelees ≪ turbines a contre-pression ≫ et on les rencontre, en particulier, dans les sucreries , entre autres, de cannes a sucre , ou le combustible est gratuit et surabondant, a savoir la bagasse , qui est le residu de l'ecrasement de la canne a sucre dont on a extrait le sucre .

Realisation pratique [ modifier | modifier le code ]

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Une turbine est constituee d’un rotor comprenant un arbre sur lequel sont fixees des aubes et, d’un stator constitue d’un carter portant des deflecteurs fixes, generalement constitue de deux parties assemblees selon un plan axial. Elle comprend en outre un tore d’admission segmente et un divergent d’echappement dirige vers le condenseur. La fonction des deflecteurs fixes est d’assurer tout ou partie de la detente en formant un reseau de tuyeres et de modifier la direction de l’ecoulement sortant de l’etage precedent.

Une turbine a vapeur comprend un ou plusieurs etages assurant chacun deux fonctions :

• la detente de la vapeur qui correspond a la conversion de l’ energie potentielle de pression en energie cinetique ;
• la conversion de l’ energie cinetique en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles.

Les turbines a vapeur se classent en deux grandes categories souvent combinees dans une meme machine :

1. Les turbines a action dans lesquelles la detente se fait uniquement dans les aubages fixes. Elles sont bien adaptees aux etages a forte pression et se pretent mieux a la regulation de debit. Leur construction est plus couteuse et reserve leur emploi aux premiers etages de la turbine ;
2. Les turbines a reaction dans lesquelles la detente est repartie entre les aubages fixes et mobiles. Le degre de reaction est defini par la repartition de la detente entre les aubages. Elles se pretent mieux aux etages a basse pression et leur cout est plus faible. Lorsque le degre de reaction d'un etage est de 50 %, la forme des aubages fixes et mobiles est la meme ce qui diminue le nombre de moules necessaires a la fabrication. Par contre pour realiser la meme detente, la turbine a reaction demandera plus d'etages, ce qui augmente la longueur de la ligne d'arbre.

La realisation des turbines necessite le recours a des aciers fortement allies (Cr-Ni-V) pour resister aux contraintes thermiques, mecaniques (force centrifuge) et chimique ( corrosion par la vapeur), voire l'utilisation de superalliage a base Ni. Les deux premieres contraintes limitent le diametre et donc le debit admissible aux derniers etages. Ainsi des aubes de plus d’un metre de longueur posent deja de serieux problemes de realisation. De plus, l’heterogeneite radiale des vitesses impose une incidence variable de l’aube qui presente alors une forme gauche dont l’usinage est complexe et dont les contraintes mecaniques limitent la bonne tenue.

En pratique la temperature est limitee a 550  a  580  °C et le maximum mis en œuvre est de 650  °C . La pression est de l’ordre de 180  bars et atteint 250  bars pour les installations supercritiques.

De ce fait, les turbines de forte puissance comprennent generalement sur un meme axe (disposition tandem compound) une turbine haute pression et deux ou trois turbines basse pression avec soutirages.

Il est ainsi possible d’atteindre des puissances de plus de 1 000  MW avec un rendement de cycle depassant legerement 40 %.

A l’autre extremite, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de kilowatts. Elles comprennent generalement un seul etage et servent a l’entrainement de machines dans l’industrie ou sur des navires. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptees a des usages industriels specifiques (a soutirage, a contrepression,  etc. ).

Mais il existe egalement de nombreuses petites turbines equipant les turbocompresseurs des vehicules. Les plus petites turbines etant certainement les Turbines dentaires .

Avantages et inconvenients [ modifier | modifier le code ]

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Le principal avantage des turbines a vapeur est d’etre un moteur a combustion externe . De ce fait, tous les combustibles (gaz, fioul, charbon, dechets, chaleur residuelle) et notamment les moins chers peuvent etre utilises pour l’alimenter en vapeur. Le chauffage peut meme se faire par energie solaire . Le rendement peut atteindre des valeurs assez elevees d’ou des frais de fonctionnement reduits.

Par contre, le cout et la complexite des installations les reservent le plus souvent a des installations de puissance elevee pour beneficier d’economies d’echelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines a gaz sont mieux adaptes en dessous d’environ 10  MW .

Le refroidissement du condenseur necessite de plus un important debit d’eau ou des aerorefrigerants encombrants ce qui limite d’emblee leur domaine d’emploi aux installations fixes ou navales.

Dans les pays nordiques, mais aussi dans certaines grandes agglomerations francaises (Paris, Lyon, Nantes…), on utilise regulierement la chaleur residuelle pour realiser un reseau de chauffage (voir Cogeneration ). Les conduits acheminent de l'eau chauffee de 80  a  90  °C dans les communes en proximite de centrale et les particuliers ou les entreprises peuvent se connecter a ce reseau pour chauffer les batiments.

Rendement [ modifier | modifier le code ]

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Le rendement croit avec la pression de la vapeur et avec la temperature de surchauffe . Cependant, l’augmentation de ces caracteristiques est limitee par la teneur en liquide de la vapeur en fin de detente. En effet, la courbe de detente peut atteindre la courbe de saturation avec formation de gouttelettes qui nuisent a l’efficacite des derniers etages de detente mais aussi a sa tenue Mecanique. La teneur en eau liquide du melange doit etre limitee a 15 ou 30 % ^{[ 4 ]} . In fin e , c’est la pression dans le condenseur qui fixe, de ce fait, les pressions et temperatures limites, admissibles.

Comme n'importe quel autre cycle thermodynamique, le Cycle de Rankine mis en œuvre par les turbines a vapeur est inferieur au cycle de Carnot , et des ameliorations ont donc ete imaginees pour tendre vers celui-ci. Ainsi, le rechauffage de l’eau, entre le condenseur et la chaudiere, par de la vapeur soutiree a differents etages de la turbine, permet de faire tendre la phase de chauffage isobare vers une transformation equivalente sur le plan thermodynamique a une isotherme . L’efficacite du dispositif mais egalement son cout croissent avec le nombre d’etages de soutirage et d’echangeurs associes ; de ce fait, le nombre d'etages depasse rarement sept unites. Le gain de rendement est de l’ordre de 5 % ^{[ref. necessaire]} . Ce dispositif impose de plus l’installation d’un rechauffeur d’air sur la chaudiere.

D’autre part, afin de permettre d’augmenter la pression et la temperature malgre le probleme de l’humidite en fin de detente, il est possible de renvoyer la vapeur detendue jusqu’a la pression de vapeur saturante vers la chaudiere pour proceder a une resurchauffe dans un echangeur de chaleur supplementaire. Ces etapes peuvent etre multipliees pour faire tendre la phase de surchauffe vers une isotherme et donc de s’approcher d’un cycle de Carnot. Dans la pratique, les installations comprennent generalement une seule resurchauffe. Le gain de rendement peut atteindre 5 % ^{[ref. necessaire]} .

Le cycle comprend fondamentalement deux changements d’etat ( evaporation et condensation ). Le diagramme de phases de l’eau permet d’envisager un cycle a un seul changement d’etat par l’utilisation d’une chaudiere supercritique. En effet, au-dela du point critique (environ 220  bars et 350  °C ) ne se produit plus de changement d’etat et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus etre distinguees. Les cycles supercritiques necessitent generalement une double resurchauffe pour limiter l’humidite en fin de cycle. Le gain de rendement est encore de 2 a 3 % ^{[ref. necessaire]} et se justifie plus facilement avec le rencherissement des combustibles ^{[ref. necessaire]} .

Production d'electricite [ modifier | modifier le code ]

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Du fait de leurs caracteristiques, les turbines a vapeur sont tres employees dans les centrales thermiques de moyenne et forte puissance, y compris nucleaires . Dans la gamme de puissance de 1 a 10  MW environ, elles sont utilisees dans les applications de cogeneration (incinerateur de dechets et chauffage urbain, process industriel). Il faut egalement signaler leur usage dans les cycles combines ou elles permettent d'ameliorer le rendement global en generant de l'electricite grace a la chaleur d’echappement des turbines a gaz .

Les turbines a vapeur sont egalement employees dans le domaine de la propulsion maritime , notamment pour les plus gros vaisseaux (petroliers, porte-avions et sous-marins nucleaires) mais sont de plus en plus souvent remplacees par des moteurs diesel ou des turbines a gaz. La fonction d’entrainement de machines est egalement en voie de disparition au profit des moteurs electriques.

Elles n’ont a ce jour trouve aucune application dans la propulsion routiere ou ferroviaire hormis quelques tentatives avortees.

Specificite des cycles nucleaires [ modifier | modifier le code ]

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Le cycle a vapeur des centrales nucleaires est particulier. En effet, dans les reacteurs a eau sous pression (REP) actuellement tres repandus, la chaleur issue de la fission est evacuee du cœur par un circuit primaire d’eau surchauffee a environ 150   bars et 300  °C . Cette chaleur produit de la vapeur saturee dans le circuit secondaire. En sortie d’etage haute pression, la vapeur subit un sechage (separation des gouttelettes liquides) et une surchauffe moderee (par de la vapeur en sortie du generateur de vapeur). Du fait de la temperature limitee de la source chaude, et donc de la vapeur creee, le rendement du cycle reste faible a environ 30 %. Les centrales nucleaires ont des groupes turbo-alternateur tres puissants pouvant atteindre 1 450  MW .

L’amelioration du rendement est au cœur des reflexions sur la conception des reacteurs de 4 ^e  generation . Elle a egalement conduit a la realisation d’autres types de reacteurs que les REP dans les premiers temps de l’energie nucleaire ( UNGG , CANDU ,  etc. ) avec d’autres fluides caloporteurs notamment. Cependant, la surete et la fiabilite des REP les rendent actuellement incontournables.

Turbine a gaz de combustion [ modifier | modifier le code ]

Une turbine a gaz , appelee aussi plus correctement turbine a combustion (TAC), est une machine tournante thermodynamique appartenant a la famille des moteurs a combustion interne dont le role est de produire de l' energie mecanique grace a la rotation d'un arbre, dote d' ailettes , qui sont mises en mouvement grace a l’ energie cinetique generee par le mouvement du gaz lie a la combustion rapide du carburant avec l'air issu du compresseur.

Aeronautique [ modifier | modifier le code ]

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Les turbines a gaz sont un element fondamental de l'aviation :

• associee a un ou plusieurs compresseurs et a une chambre de combustion interne, elle forme la base du turboreacteur , ou la puissance motrice est transmise par le flux de gaz qui traverse le reacteur et est ejectee par la tuyere  ;
• associee a un compresseur, mais liee a une helice par l'intermediaire d'un reducteur, elle est l'element moteur du turbopropulseur  ;
• utilisee comme generateur de force motrice sous forme d'un turbomoteur qui entraine le rotor d'un helicoptere ou fournit l'energie electrique a bord d'un avion de ligne. Un helicoptere , le Djinn , utilisait directement l' air comprime par une turbine pour entrainer son rotor, au lieu de recourir a une conversion mecanique.

Turbine hydraulique [ modifier | modifier le code ]

Cette turbine, inventee par Benoit Fourneyron ^{[ 5 ]} , est actionnee par l'ecoulement de l'eau. Lorsqu'elle est installee en aval d'un barrage hydroelectrique elle entraine un alternateur qui produit de l' electricite . Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau ( turbine Francis ), la vitesse de l'eau ( turbine Pelton ) ou encore un gros debit (type groupe bulbe ou turbine Kaplan ). Ces turbines sont utilisees selon la hauteur de chute du barrage.

Les turbines hydrauliques se distinguent principalement des moulins a eau par leur immersion complete et permanente dans le courant, ce qui accroit beaucoup leur rendement ^{[ 6 ]} .

Reduction ou suppression des effets negatifs pour l'environnement [ modifier | modifier le code ]

La legislation environnementale americaine impose aux centrales hydroelectriques de reduire la mortalite des poissons qui traversent les turbines. Pour cela le Laboratoire national de l'Idaho a mis en place un programme ≪  Hydropower  ≫ ^{[ 7 ]} de developpement de turbines ≪ vertes ≫ a technologies avancee ( Advanced Turbine Systems et Advanced Technology Turbines , ou ATT), avec comme objectif de maximiser l’utilisation des ressources hydroelectriques ≪ en ameliorant ses avantages techniques, societaux et environnementaux ≫ tout en reduisant ses couts et autant que techniquement possible les effets sur l’environnement. Ce programme visait a faire chuter les blessures et la mortalite de poissons traversant les turbines a 2 % ou moins, contre 5 a 10 % pour les meilleures turbines existant au debut du programme et contre 30 % voire plus pour les autres turbines ^{[ 8 ]} . Ce laboratoire s'est ainsi specialise dans la modelisation des effets des centrales sur les poissons, notamment grace a une ≪ sonde-poisson ≫ (une sorte de simulacre de poisson contenant des capteurs mesurant les contraintes subies lors du passage dans differents types de turbines, sous diverses conditions de vitesse de turbine, de courant d’eau et de pression ^{[ 9 ]} ). Le labo conduit parallelement des tests in situ sur la survie cumulee des salmonides ou anguilles passant par de multiples turbines. Les retours d’experience alimentent les etudes de configuration de nouveaux types de turbines visant a supprimer les impacts des turbines sur les poissons, et produire de l'electricite sur des chutes de moindre hauteur.

Ainsi des modeles de ≪ fish-friendly turbines ≫ ont ete proposes en 2000-2005, avec 83 a 93 % de survie apres 96 heures pour les truites arc-en-ciel, 90 a 100 % de survie pour les autres especes selon ALDEN en 2009 ^{[ 10 ] , [ 11 ] , [ 12 ]} (et teste en 2006), dit ≪ tres basse chute ≫ (VLH®2) et ≪  ichtyophile®2  ≫, qui presente comme avantage de fortement diminuer le besoin en genie civil et donc les couts de travaux, pour une efficacite qui permet d’equiper des tres basses chutes (2 a 3  m ) ; tout en permettant le passage des poissons sans dommage a travers la turbine (anguilles notamment) grace a une conception integrant les resultats d'etudes de compatibilite des turbines avec la vie des poissons, faites par l' U.S. Army Corps of Engineers , publies en 1995 ^{[ 13 ]} . Le premier prototype de turbine VLH construit en France l'a ete en mars 2007 (sur le Tarn , au Moulin de Troussy a Millau ) ^{[ 14 ] , [ 15 ]} . Les prises d'eau de ces turbines peuvent en outre aussi etre equipees de dispositifs dits d'ichtyocompatibilite (par exemple en France teste a Navarrenx sur le Gave d'Oloron ) et ameliores avec l' ONEMA ^{[ 16 ] , [ 17 ]} . (Larinier, Thevenet, & Travade, 2008) ^{[ 18 ]} , et une echelle a poissons peut leur etre associee pour faciliter la remontee (comme sur la centrale de Saint-Gery (2  MW ) dans le Lot, renovee en 2015 ^{[ 19 ]} ). Dans les pires conditions les impacts en termes de mortalite immediate et/ou differee sont divises par 2 a 3 par rapport a une turbine Kaplan classique fonctionnant dans les memes conditions. Les anguilles sont les plus vulnerables en raison de leur longueur et parce que c’est le plus souvent en sortie de turbine qu'elles sont potentiellement tuees ^{[ 20 ]} .

Turbine a air [ modifier | modifier le code ]

Une turbine a air est un systeme d'ailette ou l'air comprime vient se detendre et prendre de la vitesse. L'energie developpee par cette turbine est liee a l'equation :

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}.m.v^{2}}$

ou :

• ${\displaystyle m}$ : masse d'air deplacee ;
• ${\displaystyle v}$ : vitesse de l'air deplacee.

Ce genre de turbine est utilisee, entre autres, dans des outils tels que les visseuses ou les perceuses a air comprime.

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

References [ modifier | modifier le code ]

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Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Bibliographie [ modifier | modifier le code ]

• Alain Schrambach, ≪  Moteurs autres que les roues hydrauliques  ≫, Moulins de France , numero special ≪ Les Moulins n ^o  23 ≫, avril 2010 , Ed. FFAM

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• Notices d'autorite  :

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• Seance S13 Technologie des turbomachines - Portail Thermoptim-UNIT, 9 mars 2006

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