Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.

L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, une pompe ou tout autre récepteur mécanique rotatif.

Turbines à vapeur

Définition – Principes généraux de fonctionnement

La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau.

Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :

• L’eau liquide est comprimée par une pompe et envoyée vers la chaudière,
• L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée,
• La vapeur se détend dans la turbine en fournissant de l’énergie mécanique,
• La vapeur détendue est condensée au contact de la source froide sous vide partiel.

Le principe est donc le même que celui de la machine à vapeur à pistons. La turbine en constitue une évolution exploitant les principaux avantages des turbomachines à savoir :

• Puissance massique et puissance volumique élevée,
• Rendement amélioré par la multiplication des étages de détente.

Le rendement croît avec la pression de la vapeur et avec la température de surchauffe. Cependant, l’augmentation de ces caractéristiques est limitée par la teneur en eau de la vapeur en fin de détente. En effet, la courbe de détente peut atteindre la courbe de saturation avec formation de gouttelettes qui nuisent à l’efficacité des derniers étages de détente. La teneur en eau liquide du mélange doit être limitée à 15 ou 20%. In fine, c’est la pression dans le condenseur qui fixe de ce fait les pressions et température limites admissibles.

Ce cycle est intrinsèquement inférieur au cycle théorique idéal de Carnot. Des améliorations ont donc été imaginées pour tendre vers celui-ci. Ainsi, le réchauffage de l’eau entre le condenseur et la chaudière par de la vapeur soutirée à différents étages de la turbine permet de faire tendre la phase de chauffage isobare vers une transformation équivalente sur le plan thermodynamique à une isotherme. L’efficacité du dispositif mais également son coût croissent avec le nombre d’étages de soutirage et d’échangeurs associés. Ce nombre dépasse rarement sept unités. Le gain de rendement est de l’ordre de 5%. Ce dispositif impose de plus l’installation d’un réchauffeur d’air sur la chaudière.

D’autre part, afin de permettre d’augmenter la pression et la température malgré le problème de l’humidité en fin de détente, il est possible de renvoyer la vapeur détendue jusqu’à la saturation vers la chaudière pour procéder à une resurchauffe dans un échangeur supplémentaire. Ces étapes peuvent être multipliées 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 généralement une seule resurchauffe. Le gain de rendement peut atteindre 5%.

Le cycle comprend fondamentalement deux changements d’état (évaporation et condensation). Le diagramme de phases de l’eau permet d’envisager un cycle à un seul changement d’état par l’utilisation d’une chaudière supercritique. En effet, au delà du point critique (environ 220 bars et 350°C) ne se produit plus de changement d’état et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus être distinguées. Les cycles supercritiques nécessitent généralement une double resurchauffe pour limiter l’humidité en fin de cycle. Le gain de rendement est encore de 2 à 3% et se justifie plus facilement avec le renchérissement des combustibles.

Réalisation pratique

Une turbine est constituée d’un rotor comprenant un arbre sur lequel sont fixées des aubes et, d’un stator constitué d’un carter portant des déflecteurs fixes, généralement constitué de deux parties assemblées selon un plan axial. Elle comprend en outre un tore d’admission segmenté et un divergent d’échappement dirigé vers le condenseur. La fonction des déflecteurs fixes est d’assurer tout ou partie de la détente en formant un réseau de tuyères et de modifier la direction de l’écoulement sortant de l’étage précédent.

Une turbine à vapeur comprend un ou plusieurs étages assurant chacun deux fonctions :

• La détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l’énergie potentielle en énergie cinétique,
• La conversion de l’énergie cinétique en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles.

Les turbines à vapeur se classent deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine:

• Les turbines à action dans lesquelles la détente se fait uniquement dans les aubages fixes. Elles sont bien adaptée aux étages à forte pression et se prêtent mieux à la régulation de débit. Leur construction est plus coûteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine.
• Les turbines à réaction dans lesquelles la détente est répartie entre les aubages fixes et mobiles. Le degré de réaction est défini par la répartition de la détente entre les aubages. Elles se prêtent mieux aux étages à basse pression et leur coût est plus faible.

La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur). Les deux premières contraintes limitent le diamètre et donc le débit capable des derniers étages. Ainsi des aubes de plus d’un mètre de longueur posent déjà de sérieux problèmes de réalisation. De plus, l’hétérogénéité radiale des vitesses impose une incidence variable de l’aube qui présente alors une forme gauche dont l’usinage est complexe.

En pratique la température est limitée à 550 ou 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 généralement sur un même axe (disposition tandem compound) :

• Une turbine haute pression,
• Plusieurs (2 ou 3) turbines basse pression avec soutirages.
• Il est ainsi possible d’atteindre des puissances de plus de 1000 MW avec un rendement dépassant légèrement 40%.

À l’autre extrémité, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de kW. Elles comprennent généralement un seul étage et servent à l’entraînement de machines dans l’industrie ou sur des navires. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptées à des usages industriels spécifiques (à soutirage, à contrepression, etc.).

Limites techniques – Avantages

Le principal avantage des turbines à vapeur est d’être des moteurs à combustion externe. De ce fait, tous les combustibles (gaz, fuel, charbon, déchets, chaleur résiduelle) et notamment les moins chers peuvent être utilisés pour l’alimenter en vapeur. Le rendement peut atteindre des valeurs assez élevées d’où des frais de fonctionnement réduits.

Par contre, le coût et la complexité des installations les réservent le plus souvent à des installations de puissance élevée pour bénéficier d’économies d’échelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines à gaz sont mieux adaptés en dessous d’environ 10 MW.

Le refroidissement du condenseur nécessite de plus un important débit d’eau ou des aéroréfrigérants encombrants ce qui limite d’emblée leur domaine d’emploi aux installations fixes ou navales.

Génération électrique

Du fait de leurs caractéristiques, les turbines à vapeur sont très employées dans les centrales thermiques de moyenne et forte puissance, y compris nucléaires. Dans la gamme de puissance de 1 à 10 MW environ, elles sont utilisées dans les applications de cogénération (incinérateur de déchets et chauffage urbain, process industriel). Il faut également signaler leur usage dans les cycles combinés ou elles permettent de valoriser en électricité la chaleur d’échappement des turbines à gaz.

Les turbines à vapeur sont également employées dans le domaine de la propulsion navale, notamment pour les plus gros vaisseaux (pétroliers, porte-avions) mais sont de plus en plus souvent remplacées par des moteurs diesel ou des turbines à gaz. La fonction d’entraînement de machines est également en voie de disparition au profit des moteurs électriques.

Elles n’ont à ce jour trouvé aucune application dans la propulsion routière ou ferroviaire hormis quelques tentatives avortées.

Spécificité des cycles nucléaires

Le cycle à vapeur des centrales nucléaires est particulier. En effet, dans les réacteurs à eau sous pression actuellement très répandus, la chaleur issue de la fission est évacuée du cœur par un circuit primaire d’eau surchauffée à environ 150 bars et 300°C. Cette chaleur produit de la vapeur saturée dans le circuit secondaire. En sortie d’étage haute pression, la vapeur subit un séchage (séparation des gouttelettes liquides) et une surchauffe modérée (par de la vapeur en sortie du générateur de vapeur). Du fait de la température limitée de la source chaude, et donc de la vapeur créée, le rendement du cycle reste faible à environ 30%. Les centrales nucléaires ont des groupes turbo-alternateur très puissants pouvant atteindre 1450 MW.

L’amélioration du rendement est au cœur des réflexions sur la conception des réacteurs de 5° génération. Elle a également conduit à la réalisation d’autres types de réacteurs que les REP dans les premiers temps de l’énergie nucléaire (UNGG, CANDU, etc.) avec d’autres fluides caloporteurs notamment. Cependant, la sûreté et la fiabilité des REP les rendent actuellement incontournables.

Conclusion

La turbine à vapeur est l’aboutissement d’un type de machines thermiques introduit par les machines à vapeur à piston. Les contraintes inhérentes à leur conception restreignent leur usage aux centrales électriques de forte puissance et à des applications spécifiques tel que l'aéronautique.

Turbines hydrauliques

Spécificité des turbines hydrauliques

Turbine Francis

Située à la base d'un barrage hydroélectrique, cette turbine est actionnée par l'écoulement de l'eau et actionne un alternateur qui produit de l'électricité. Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau (type Francis), la vitesse de l'eau (type Pelton), ou encore un gros débit (type groupe Bulbe ou Kaplan).

Les turbines hydrauliques:

La turbine Fourneyron: en France, en 1826, l'ingénieur Benoît Fourneyron remporta le prix de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale pour le meilleur dessin d'une roue hydraulique industrielle. Sa machine, appelée turbine (mot inventé par son concurrent Charles Bourdin, du latin turbo), était faite de deux roues horizontales concentriques: une roue intérieure fixe et munie d'aubes directrices incurvées dirigeant l'eau contre les aubes de la roue extérieure mobile (rotor). On annonçait un rendement d'au moins 80 %! Néanmoins, à certaines vitesses, des turbulences se produisaient lorsque l'eau quittait les aubes directrices. La première turbine Fourneyron fut installée vers 1835 à Saint-Blaise (Forêt Noire).

La turbine Francis: turbine où la roue intérieure est mobile. Ce système proposé par le Français Jean Poncelet fin des années 1820, fut breveté par le Nord-américain Samuel B. Howd en 1838 et popularisé par James B. Francis. Dans les années 1860, cette turbine commença à supplanter la roue hydraulique.

La turbine Pelton: conçue par l'ingénieur des mines en Californie, Lester A. Pelton, dans les années 1870. Celui-ci avait observé l'accélération, jusqu'à l'éclatement, d'une roue hydraulique à aubes incurvées frappée, accidentellement, par un jet d'eau. Pelton vint à la conclusion qu'on pouvait mieux exploiter la puissance d'un jet en en inversant la direction avec l'aube. Il redessina l'aube en y créant deux poches accolées formant une arête médiane dans l'auge divisant ainsi le jet en deux et le déviant complètement. Cette turbine convient particulièrement aux hautes chutes à débit modéré ou faible. Sa fabrication industrielle commença dans les années 1880.

La turbine Kaplan: en 1910, l'Autrichien Victor Kaplan propose une turbine répondant au rendement médiocre de la turbine Francis dans le cas de faibles charges. Cette turbine à axe vertical et à rotor en hélice avait des aubes à pas variable. La première turbine Kaplan fut installée, en 1919, dans une usine textile de Velm (Osterreich). Sa puissance était de 25,8 ch pour une hauteur de chute de 2,3 m. Jusque 1926, le développement des turbines Kaplan fut arrêté par un phénomène de cavitation (en raison de la rotation rapide de l'hélice dans l'eau, une zone de basse pression se crée sous la surface d'aspiration de l'aube, ce qui peut amener l'eau à ébullition, puis la corrosion de la surface des aubes à la condensation des bulles de vapeur). En 1926, une société suédoise résout le problème en créant une servo-direction à commande hydraulique pour la rotation des aubes du rotor. Cette même année fut installée, à Lilla Edet (Sverige), une turbine au rotor de 5,8 m de diamètre et dont la puissance atteignait 10 000 ch pour une hauteur de chute de 6,5 m. Les turbines Kaplan conviennent particulièrement aux faibles hauteurs de chute et forts débits.

La turbine à bulbe: variante de la turbine Kaplan où le rotor est placé dans une enveloppe fuselée installée horizontalement dans le tunnel de la centrale. La première a été conçue en Allemagne dans les années 1940. L'usine marémotrice de la Rance (F) compte 24 groupes-bulbes réversibles de 10 MW.

Turbine à gaz combustible

Aéronautique

La turbine à gaz est avec le compresseur et la chambre de combustion l'un des éléments constitutifs des moteurs à réaction (voir turboréacteur). Sur les hélicoptères conventionnels, la puissance fournie par la turbine sert à entraîner le rotor principal et le rotor anti-couple ainsi que les équipements fournissant la pression hydraulique et pneumatique (voir le Djinn) et la tension électrique.

Turbines à air