TURBINES À VAPEUR

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Les turbines à vapeur, comme toutes les turbomachines (et contrairement aux machines volumétriques), sont des appareils à écoulement continu, ce qui veut dire que, pour un régime de fonctionnement donné, l'état du fluide est invariable en tout point. Cette propriété leur permet de fonctionner avec des débits très importants et rend donc possible la réalisation de machines de grande puissance (pouvant dépasser un million de kilowatts), et cela avec un rendement élevé et avec toute la souplesse de réglage exigée par le fonctionnement des centrales électriques modernes. De plus, les turbines à vapeur se prêtent, dans des conditions économiques, à la production simultanée d'énergie électrique et de chaleur. Pour toutes ces raisons, ces machines jouent un rôle de tout premier plan dans la production d'énergie électrique aux dépens de la chaleur fournie par les combustibles, qu'ils soient classiques ou nucléaires.

Principe de fonctionnement et classification

Une turbine à vapeur comporte un ou plusieurs étages, composés chacun de deux aubages, ou grilles d'aubes, dont l'un est fixe et l'autre mobile. Le plus souvent, la direction générale de l'écoulement de la vapeur est parallèle à l'axe de la turbine ; celle-ci est alors du type axial. Dans certains cas, cette direction est perpendiculaire à l'axe (habituellement, dans le sens centripète) ; la turbine est alors du type radial.

La figure représente une coupe longitudinale partielle d'une turbine axiale. La vapeur se détend dans les aubages fixes (1), qui sont montés sur des diaphragmes (3) ; toutefois, pour l'aubage fixe du premier étage (qui n'est pas représenté dans la figure), des dispositions spéciales facilitent l'admission de vapeur et le réglage de la turbine. Chacun des aubages fixes est suivi d'un aubage mobile (2) monté sur un disque (4) ; les différents disques sont fixés sur l'arbre (5), qui transmet la puissance développée par la turbine à l'appareil entraîné par celle-ci (par exemple, à une génératrice électrique). Pour réduire les fuites de vapeur entre la partie centrale des diaphragmes et les moyeux des disques, on munit les diaphragmes de lamelles métalliques (6) dont l'ensemble forme un labyrinthe.

Turbine axiale à action

Dessin : Turbine axiale à action

Coupe longitudinale partielle d'une turbine axiale à action 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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En développant les aubages fixe et mobile d'un étage dans un plan, on obtient la disposition représentée sur la figure, (A) étant l'aubage fixe et (B) l'aubage mobile.

Développement d'un étage de turbine dans un plan

Dessin : Développement d'un étage de turbine dans un plan

Développement d'un étage de turbine dans un plan 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le fonctionnement d'un étage de turbine peut être conçu de deux manières Dans le premier cas, toute la détente a lieu dans l'aubage fixe, le rôle de l'aubage mobile étant d'utiliser l'énergie cinétique engendrée par cette détente ; c'est le cas d'un étage à action. Dans le second, la vapeur ne se détend que partiellement dans l'aubage fixe, le reste de la détente ayant lieu dans l'aubage mobile ; ce mode de fonctionnement caractérise l'étage à réaction. On a donc, dans le premier cas, p0 > p1 = p2 et, dans le second, ppp2, où p0 est la pression à l'amont de l'aubage fixe, p1 la pression entre les aubages fixe et mobile, et p2 la pression à l'aval de l'aubage mobile. Le mode de construction représenté sur la figure est celui d'une turbine à action ; dans le cas d'une turbine à réaction, afin de réduire la poussée axiale due à l'inégalité des pressions régnant de part et d'autre des aubages mobiles, on monte ceux-ci non pas sur des disques, mais sur un tambour. Cette disposition est représentée sur la figure : les aubages fixes (1) sont montés à l'intérieur d'un stator (2), tandis que les aubages mobiles (3) sont fixés sur un tambour (4), monté sur l'arbre de la turbine (ce tambour peut d'ailleurs être constitué par des disques soudés entre eux).

Turbine axiale à action

Dessin : Turbine axiale à action

Coupe longitudinale partielle d'une turbine axiale à action 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Turbine axiale à réaction

Dessin : Turbine axiale à réaction

Coupe longitudinale d'une turbine axiale à réaction 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lorsque le nombre d'étages d'une turbine est très grand, on répartit la détente totale entre plusieurs turbines placées en série, les arbres de ces turbines étant reliés entre eux au moyen d'accouplements ; on dit alors que la turbine comporte plusieurs corps, et on désigne ceux-ci par le niveau de pression correspondant : par exemple, corps H.P., corps M.P., corps B.P. (respectivement, haute, moyenne et basse pression).

Si le débit-volume traversant un corps de turbine est élevé, ce corps peut comporter plusieurs flux parallèles. Cette disposition s'applique surtout aux corps B.P. où le volume massique de la vapeur atteint des valeurs très élevées : dans certains cas, la turbine comporte trois ou même quatre corps B.P. à deux flux chacun, ce qui conduit à six ou à huit échappements de vapeur.

Enfin, suivant le cycle thermique décrit par la vapeur, on di [...]

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Turbine axiale à action

Turbine axiale à action
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Développement d'un étage de turbine dans un plan

Développement d'un étage de turbine dans un plan
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Turbine axiale à réaction

Turbine axiale à réaction
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Vapeur saturée et surchauffée

Vapeur saturée et surchauffée
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pour citer l’article

Paul CHAMBADAL, « TURBINES À VAPEUR », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/turbines-a-vapeur/