Explorer la variété des turbines : types, usages et applications

Avec la grande majorité de la production d'énergie et du transport de fluides, les turbines existent en différents types servant le même but dans diverses applications. C'est un dispositif qui exploite l'énergie cinétique de fluides tels que l'eau, la vapeur, l'air ou les gaz de combustion, et la convertit en mouvement rotatif du dispositif lui-même. Celui-ci est ensuite connecté à un générateur produisant de l'énergie électrique, ou utilisé pour un travail mécanique.

Aujourd'hui, vous découvrirez les différents types de turbines, leurs schémas et principes de fonctionnement.

Types de turbines

Turbines à impulsion et à réaction

Utilisées dans les centrales hydroélectriques. Ce sont des turbines hydrauliques ayant l'eau comme fluide de travail. Des millions de litres d'eau sont collectés depuis un barrage ; la hauteur du barrage détermine la pression d'écoulement. L'eau hautement pressurisée s'écoule par une grosse conduite forcée (penstock).

La turbine est située au bout de la conduite forcée, donnant à l'eau pressurisée un accès facile pour frapper les pales à haute vitesse, la faisant tourner. L'électricité est générée quand la turbine est connectée à un générateur. Une différence fondamentale entre impulsion et réaction est la forme des pales de la turbine.

Une turbine à impulsion fonctionne selon le principe de la 2^e loi de Newton. Au lieu de pales sur le moyeu du rotor, plusieurs godets elliptiques demi-taille sont fixés. Quand l'eau frappe les godets à haute vitesse, le rotor tourne : l'énergie cinétique de l'eau est convertie en énergie mécanique de rotation. L'électricité est générée quand un bout de l'arbre de turbine est connecté au générateur. Exemples : Pelton, Turgo, Cross-flow.

Dans une turbine à réaction, la somme de l'énergie potentielle et cinétique de l'eau, due à la pression et à la vitesse respectivement, fait tourner les pales. Tout le corps de la turbine est immergé dans l'eau et les variations de pression conjuguées à l'énergie cinétique provoquent l'échange de puissance. Applications généralement à chutes plus faibles et débits plus élevés que le type impulsion.

Turbine à vapeur

Souvent utilisées dans les centrales nucléaires et thermiques. L'eau est chauffée pour produire de la vapeur qui traverse la turbine et produit de l'électricité. Une turbine à vapeur peut aussi être classée en types impulsion et réaction, surtout les modernes. La différence réside dans l'arrangement et la conception.

Les turbines à vapeur comprennent des pales rotatives (rotors) et des pales fixes (stators). Ces deux composants sont placés alternativement pour extraire le maximum d'énergie. Ce processus s'appelle le compounding (étagement). Dans une turbine à impulsion, les godets mobiles sont conçus pour être poussés par la vapeur. Alors que les pales de rotor dans les turbines à réaction sont profilées (aerofoil), générant elles-mêmes la réaction et maintenant la vitesse de la vapeur.

Dans la plupart des turbines à vapeur, la vapeur passe d'abord par une turbine haute pression (HP), puis pression intermédiaire (IP). Après réchauffage, elle traverse une turbine basse pression (LP) (grande série de pales). L'augmentation de la taille des pales de l'intérieur vers l'extérieur est due à l'expansion de la vapeur en perdant sa pression et son énergie cinétique.

Turbine à gaz

Souvent utilisées dans les moteurs thermiques, aussi appelées moteurs à combustion interne. L'un des types de turbines les plus flexibles, d'applications larges. Utilisées en centrales pour produire de l'électricité et pour propulser avions et hélicoptères. Le système a un compresseur axial à l'entrée, séries de pales rotatives qui aspirent une grande quantité d'air et le compriment pour en augmenter la température. L'air est ensuite alimenté dans la chambre de combustion. Dans le fonctionnement, du carburant est ajouté dans la chambre et un allumeur enflamme le carburant. Une grande quantité de gaz d'échappement est produite et faite circuler à travers les turbines.

Les différents types de turbines à gaz / moteurs à réaction :

1. Turbojet
2. Turbofan
3. Turboprop
4. Turboshaft
5. Ramjet

Éolienne (Wind turbine)

L'invention de l'éolienne a bénéficié à l'humanité comme méthode propre de production d'électricité. Comme les autres turbines, l'éolienne a trois pales conçues pour tourner quand le vent les traverse. Les éoliennes tournent à très bas RPM, ne pouvant produire l'électricité à la fréquence requise. C'est pourquoi un multiplicateur (gearbox) est nécessaire pour augmenter la vitesse de l'arbre. La sortie est connectée au générateur produisant l'électricité.

Autrement dit, les éoliennes transforment l'énergie cinétique du vent en puissance mécanique. Cette puissance génère de l'électricité en faisant tourner un générateur. La turbine peut être terrestre (onshore) ou en mer (offshore).

Les 3 types principaux d'éoliennes :

1. Éoliennes à axe horizontal (HAWT)
2. Éolienne à axe vertical type Savonius (Savonius VAWT)
3. Éolienne à axe vertical type Darrieus (Darrieus VAWT)

Conclusion

Cet article a présenté les différents types de turbines : turbines à impulsion et réaction, turbine à vapeur, turbine à gaz, éolienne.

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