Comprendre les Turbines : Faits Clés, Applications et Fonctionnement

En pensant à la façon dont un fluide de travail est converti en énergie mécanique utile et/ou énergie électrique, vous devriez penser à une turbine. C'est ce qu'on appelle une turbomachine qui contient une pièce mobile appelée ensemble rotor. Le dispositif a une vaste application qui inclut les automobiles, l'aérospatiale, le générateur électrique, le moteur à turbine à gaz, etc.

Aujourd'hui, vous découvrirez la définition, les applications, les fonctions, les composants, les classifications, les types, le fonctionnement, et les avantages et inconvénients d'une turbine.

Qu'est-ce qu'une turbine ?

Une turbine est un dispositif mécanique rotatif qui extrait l'énergie d'un écoulement de fluide et la convertit en énergie mécanique et électrique utile. Cela signifie que le travail produit par une turbine peut être utilisé pour générer de l'énergie électrique lorsqu'elle est combinée avec un générateur.

Dans le système, il y a un ensemble de pales montées sur un rotor qui extrait l'énergie du fluide en mouvement. Donc, les turbines peuvent être plus ou moins efficaces et efficaces les unes que les autres puisqu'il y a différents types. Eh bien, la conception d'une pale de turbine a beaucoup à dire sur son efficacité. C'est pourquoi différentes applications ont besoin de conceptions différentes.

En outre, une turbine peut aussi être vue comme un dispositif qui exploite l'énergie cinétique d'un fluide tel que l'air, l'eau, la vapeur, et même les gaz de combustion. L'énergie créée est ensuite transformée en mouvement de rotation du dispositif lui-même, qui est ensuite utilisé pour la génération d'énergie.

Le mot turbine a été introduit en 1822 par un ingénieur minier français, Claude Burdin. En mot grec, cela signifie « vortex » ou « tourbillon ». Le crédit pour l'invention de la turbine à vapeur est donné à l'ingénieur anglo-irlandais Sir Charles Parsons (1854 – 1931) pour avoir créé une turbine à réaction. De 1845 – 1913, l'ingénieur suédois Gustaf de Laval a inventé la turbine à impulsion. De nos jours, une turbine à vapeur est conçue pour utiliser à la fois réaction et impulsion dans la même unité, variant typiquement le degré de réaction et d'impulsion de la racine de la pale à sa périphérie.

Applications des turbines

Les applications des turbines sont largement utilisées dans la production d'énergie électrique. En fait, une grande proportion de l'énergie électrique mondiale est générée par des turbogénérateurs.

Les turbines sont utilisées dans les moteurs à turbine à gaz sur terre, mer et air.

Les moteurs à combustion interne à pistons utilisent des turbocompresseurs pour augmenter l'efficacité et la vitesse du moteur.

Les turbo-détendeurs sont utilisés pour la réfrigération dans les processus industriels.

Les moteurs principaux de la navette spatiale utilisaient des turbopompes (une machine qui consiste en une pompe entraînée par un moteur à turbine) pour alimenter les propergols (oxygène liquide et hydrogène liquide) dans la chambre de combustion du moteur.

Les applications des turbines sont aussi courantes dans les moteurs thermiques en raison de leur haut rendement à haute puissance. Les turbines à gaz sont fréquemment utilisées dans les moteurs thermiques en raison de leur flexibilité.

Une des applications spécifiques des turbines à gaz est dans les moteurs à réaction.

Les éoliennes qui fonctionnent en transformant l'énergie cinétique du vent en puissance mécanique sont utilisées pour générer de l'électricité en faisant tourner un générateur. La turbine peut être sur terre ou peut être des éoliennes offshore.

Les turbines hydrauliques sont utilisées dans les centrales hydroélectriques. Elles utilisent l'eau comme fluide de travail. Finalement,

Les turbines à vapeur sont utilisées dans les centrales nucléaires et thermiques. L'eau est chauffée pour former de la vapeur et ensuite écoulée à travers les turbines pour produire de l'électricité.

Note : la fonction principale d'une turbine est la production d'énergie.

Composants de la turbine

Parce qu'il y a différents types de turbines, leurs composants varieront. Par exemple, une turbine Kaplan utilise un générateur qui consiste en un démarreur, rotor, arbre, aube directrice et pales. Une turbine à écoulement transversal qui est une turbine à impulsion modifiée a ses composants comme roue, pales, partie d'écoulement d'eau et distributeur. Finalement, les composants de la turbine Pelton incluent l'impulseur (roue), la buse, le javelot, la tige de javelot, l'entrée, la plaque de déviation, les godets et l'évacuation. Toutes ces pièces de turbine seront expliquées ci-dessous avec leur schéma. Restez avec moi !

Schéma de turbine hydroélectrique :

Classifications et types de turbines

Les éléments suivants sont les classifications de la turbine qui sont utilisées pour déterminer leurs types :

Classifications basées sur l'échange d'énergie entre l'eau et la machine.

C'est ainsi que l'écoulement du fluide réagit sur les pales de la turbine ce qui cause les turbines hydrauliques. Elle peut être classée en deux : turbines à impulsion et turbines à réaction.

Turbines à impulsion :

La turbine à impulsion est connue par sa roue étant entraînée par l'énergie cinétique d'un fluide qui frappe les pales de la turbine à travers une buse ou autrement. Dans ces types de turbines, un ensemble de machines rotatives est opéré à la pression atmosphérique. Les turbines à impulsion sont adaptées pour les chutes hautes et les débits faibles.

Les trois types de turbines à impulsion sont Pelton, Turgo et à écoulement transversal. Bien que les turbines Pelton et Turgo soient similaires en construction. Cependant, la turbine à écoulement transversal est un type modifié de turbine à impulsion mais est juste classée comme une impulsion. Cela est dû à la rotation de la roue à la pression atmosphérique.

Turbines à réaction :

Les types de turbines à réaction opèrent en raison de la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique de l'eau. Cela est dû à la pression et à la vitesse, respectivement, causant la rotation des pales de la turbine. La turbine entière est immergée dans l'eau dans ces types de turbines. Le changement de pression de l'eau avec l'énergie cinétique de l'eau cause l'échange de puissance. Les applications de ces turbines sont généralement à des chutes plus basses et des débits plus élevés que les turbines à impulsion. Les types courants de turbines à réaction sont Francis, Kaplan et Deriaz.

Basées sur l'écoulement du fluide directement à travers la machine

Classifications des types de turbines basées sur l'écoulement du fluide directement à travers la machine sont le passage de l'eau à travers la turbine. Elle est divisée en quatre catégories :

Turbine à écoulement radial :

Dans les types de turbines à écoulement radial, l'écoulement dans la roue se déplace radialement. Cette turbine est divisée en deux types : écoulement radial entrant et écoulement radial sortant. Les turbines Francis sont de bons exemples de turbines à écoulement radial.

Turbine à écoulement radial entrant – l'eau entre dans le carter de la turbine par une conduite forcée, et voyage à travers les aubes directrices fixes vers le rotor, et en sort de là. Par conséquent, les diamètres interne et externe sont comme la sortie et l'entrée, respectivement.

Turbine à écoulement tangentiel ou périphérique :

Dans ces types de turbines, l'eau s'écoule dans une direction tangentielle par rapport à la roue. Les turbines Pelton entrent dans cette catégorie.

Turbine à écoulement axial :

Le fluide s'écoule parallèlement à l'arbre de la turbine (axe de la turbine) dans ces types de turbines. Kaplan en est un type.

Turbines à écoulement mixte :

Dans cette turbine, l'écoulement entre radialement et sort axialement. Les turbines Francis modernes sont connues pour cette caractéristique.

Différents types de turbines basés sur la plage de fonctionnement hydraulique.

Ces types de turbines hydrauliques sont de trois catégories :

Turbine à basse chute :

Quand une turbine hydraulique fonctionne dans une plage de chute de moins de 45 mètres, elle est classée comme basse chute. La turbine Kaplan en est un de ces types. Si la chute est inférieure à 3 mètres, elle est considérée comme ultra-basse chute.

Turbine à chute moyenne :

Dans ce type, la plage de fonctionnement pour des chutes de 45 à 250 mètres est considérée comme chutes moyennes. Les turbines Francis opèrent dans de telles conditions.

Turbines à haute chute :

Ces turbines ont des chutes supérieures à 250 mètres. La turbine Pelton est un bon exemple.

Classifications et types de turbines basés sur la vitesse spécifique

La vitesse spécifique d'une turbine est notée N_s. Elle est définie comme la vitesse d'une turbine avec une similitude géométrique qui génère une unité de puissance sous une unité de chute. Basé sur ce paramètre, les turbines hydrauliques sont classées en trois classes :

Turbine à vitesse spécifique basse :

Une turbine à vitesse spécifique basse a une valeur entre 1 et 10. Les types de turbines à impulsion opèrent dans cette plage. Par exemple, la turbine Pelton fonctionne généralement à une vitesse spécifique de 4.

Turbine à vitesse spécifique moyenne :

Ces types de turbines opèrent dans une plage de vitesse spécifique de 10 à 100. Le type Francis fonctionne à ce ratio.

Turbine à vitesse spécifique haute :

Les vitesses spécifiques hautes sont au-dessus de 100, c'est ainsi que la turbine Kaplan fonctionne.

Fonctionnement d'une turbine

Le fonctionnement d'une turbine est assez simple et facile à comprendre. Bien que leur fonctionnement puisse être différent selon les types de turbines. Dans cet article, j'expliquerai les turbines à gaz.

Dans une turbine à gaz, l'air comprimé est chauffé et mélangé avec du carburant. Le mélange s'enflamme et subit une expansion rapide. Cet air en expansion entre dans la turbine la faisant tourner. Grâce à l'air comprimé, les hautes altitudes n'affectent pas l'efficacité des turbines. C'est pourquoi elles sont parfaites pour les avions. Voir le schéma ci-dessous :

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement des turbines à gaz :

Conclusion

Les turbines ont été expliquées comme un dispositif mécanique rotatif qui extrait l'énergie d'un fluide de travail qui est convertie en énergie utile. C'est tout pour cet article où nous donnons la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et le fonctionnement d'une turbine.

J'espère que vous avez beaucoup appris de cet article. Si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture. À la prochaine !