Quel est le rôle de la turbine ?
Le rôle de la turbine est de transformer l'énergie de l'eau, de la vapeur ou du vent en énergie mécanique, de manière à faire tourner un alternateur.
L'alternateur, à son tour, transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.Comment fonctionne une turbomachine ?
Physiquement, son fonctionnement consiste en ce qu'elle transforme de l'énergie mécanique de son moteur d'entraînement en énergie hydraulique, c'est-à-dire qu'elle transmet au courant liquide qui la traverse une certaine puissance.
Comment est fait une turbine ?
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.
- Le rendement électrique des turbines gaz est lié à la qualité de l'alternateur.
Un ordre de grandeur courant de rendement électrique est de l'ordre de 20 à 25 %.
Physique des Particules
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Turbomachines 1 Chapitre 1 : Généralités sur les Turbomachines 1-1 Introduction Le transfert de l'énergie des fluides à une roue en rotation, sur laquelle sont montées des aubes ou des pales, et vice versa, a donné naissance à une classe spéciale de machines appelées "turbomachines".
La roue en rotation est appelée " rotor ". Le flux du fluide est continu.Il est devenu habituel de diviser les turbomachines en deux groupes principaux : les machines qui consomment la puissance et les machines qui produisent de la puissance. Dans les machines qui consomment de puissance, le transfert d'énergie se fait de l'arbre aux pales, puis au fluide qui tend à accroître le niveau d'énergie du fluide en dissipant la puissance de l'arbre. D'autre part, les machines de production d'énergie utilisent l'énergie disponible du fluide pour effectuer le travail de l'arbre. Les machines appartenant aux premiers types sont principalement appelées pompes, ventilateurs et compresseurs, tandis que celles de la seconde catégorie sont appelées turbines Remarque : Les mots rotor et écoulement continu distinguent les turbomachines des moteurs alternatifs (à piston). · Classement des turbomachines Il est possible de classer les turbomachines selon des caractères suivants : 1 - Au sens de l'échange d'énergie : · machines génératrices (ou de compression) · réceptrices (ou de détente) ; 2 - l'état du fluide : liquide ou gazeux ; 3 - le trajet du fluide par rapport à l'axe, qui conduit à distinguer : · les machines radiales : centrifuges (figure 1) ou centripètes • les machines axiales (Figure 2 et 3) • les machines mixtes machines sont rares en pratique (Figure 4) 4 - le comportement compressible ou incompressible de ce fluide ;5 - le nombre d'étages : machines mono(multi-étagée) (figure 5) . Turbomachines 1mixtes hélico-centrifuges ou hélico-centripètes, en pratique (Figure 4) le comportement compressible ou incompressible de ce fluide ; le nombre d'étages : machines monocellulaire (mono-étagée) ou multicellulaires Figure 1-a : Pompe centrifuge Figure 2-a : Turbine à gaz Turbomachines 1 centripètes, ce type de ou multicellulaires Turbomachines 1 Figure 2-b : Turbine à gaz (Coupe B-B) Figure 3-a: Turbine à vapeur Figure 3-b : Turbine à vapeur ( coupe C-C) Figure 3-c : Turbine à vapeur Figure 5 : machine centrifuge de compression multicellulaire à 5 étages Turbomachines 1 : Turbine à vapeur ( coupe B-B) Figure 4 : Machine mixte machine centrifuge de compression multicellulaire à 5 étages Turbomachines 1 : Machine mixte machine centrifuge de compression multicellulaire à 5 étages Turbomachines 1 1-2 Constitution des turbomachines Une turbomachine ne comportant qu'un seul rotor est dite à simple étage ou encore monocellulaire.
Les machines comportant plusieurs étages sont également appelées multicellulaires.Une machine monocellulaire complète se compose de trois organes distincts que le fluide traverse successivement : 1- Le distributeur dont le rôle est de conduire le fluide depuis la section d'entrée de la machine [identifiée par l'indice 0] à la section d'entrée du rotor [identifiée par l'indice 1] en lui donnant une vitesse et une direction appropriées.
Le distributeur peut être une simple canalisation ou comprendre une couronne d'aubes fixes (stator, indispensable s'il faut dévier l'écoulement tangentiellement), appelées en anglais " Inlet Guide Vanes (IGV) ».
Ces aubes sont parfois orientables afin de régler le débit. 2- Le rotor au sein duquel s'effectue l'échange d'énergie par travail des forces aérodynamiques sur les aubes en rotation. 3- Le diffuseur dont le rôle est de collecter le fluide à la sortie du rotor [identifiée par l'indice 2] et l'amener à la section de sortie de la machine [identifiée par l'indice 3].
Comme pour le distributeur, le diffuseur peut inclure une (voire deux) couronnes d'aubes fixes. Ces aubes fixes sont notamment utiles lorsque l'écoulement à une composante tangentielle de vitesse à la sortie du rotor et servent à ramener l'écoulement dans la direction principale du tube de courant (axiale ou radiale), raison pour laquelle on utilise parfois le terme redresseur.
Le distributeur et le diffuseur ne sont pas toujours présents, ou sont parfois réduits à un tronçon de canalisation.
C'est notamment le cas pour les hélices et éoliennes.Dans les machines multicellulaires, chaque étage ne comprend généralement que deux éléments, à savoir un distributeur et un rotor pour les turbines, et un rotor et un diffuseur pour les pompes et compresseurs. Turbomachines 1 1-3 Principaux organes constitutifs d'une machines monocellulaire Afin d'obtenir une idée concrète sur ces organes on se propose de décrire sommairement deux types de machines parmi les plus classiques. - Une pompe centrifuge entant qu'exemple de turbomachine de compression radiale à fluide incompressible. - Une turbine à gaz entant qu'exemple de turbomachine de détente axiale à fluide compressible. 1-3.-1 Description d'une pompe centrifuge Coupe B-B Coupe A-A Figure 6 : Schéma descriptif d'une pompe centrifuge.
La turbomachine est délimité par les brides d'entrée B1 et de sortie B2, par lesquelles elles se raccordent aux tubes d'aspiration T1 et de refoulement T2.
La partie active de la machine est constituée par la roue ou rotor qui comporte les aubes (appelées aussi ailettes ou pales) mobiles qui tourne à une vitesse constante ω autour de l'axe o-o'.
L'espace entre deux aubes mobiles constitue un canal mobile.Turbomachines 1 Du faite de la rotation, les aubes mobiles exercent sur le fluide des efforts de pression.
Ceci se traduit par l'existence d'une surpression le long de la face menante (extrados) et une dépression sur la face menée (intrados).
Le travail des forces de pression ainsi engendrées nécessite l'apport d'énergie mécanique par le rotor.
C'est ainsi qu'il y a un transfert d'énergie entre le rotor et le fluide pendent la traversé des canaux mobiles.
Le transfert se manifeste par une augmentation de la pression et de l'énergie cinétique du fluide.La couronne d'aubes fixes qui porte le nom de diffuseur provoque l'augmentation de la pression par transformation d'une partie de son énergie cinétique.
Enfin le fluide est récupéré dans un espace enroulé, nommé volute, dont sa section va en augmentant.
Cet espace est utilisé dans certaine mesure pour une transformation complémentaire de l'énergie cinétique en énergie piézométrique. 1-3-2 Description d'une turbine à gaz Dans une turbine à gaz l'alimentation (admission) et l'échappement sont sensiblement axiaux. Le rôle du conduit d'admission est d'alimenter la couronne d'aubes fixes.
Ces aubes fixes délimitent les canaux fixes nommé distributeurs fixes où le fluide subit une augmentation de sa vitesse par transformation de l'énergie piézométrique en énergie cinétique.
On utilise souvent le terme tuyère pour désigner ces canaux fixes. Les aubes mobiles délimitent les canaux mobiles.En traversant le rotor, le fluide exerce sur chaque aube mobile un effort qi se manifeste par une surpression sur l'intrados et une dépression sur l'extrados.
S'il n'y a pas de détente dans entre l'entrée et la sortie des canaux mobiles, les effets aérodynamiques sur les aubes résultent uniquement du changement de direction que le fluide subit au contact des aubes, la roue dans ce cas est dite à action. Dans le cas où une détente complémentaire à lieu dans les canaux mobiles vient d'augmenter la vitesse du fluide à la sortie des aubages mobiles, la roue dans ce cas est dite à réaction.
Dans les deux cas, les efforts aérodynamiques entconstante ω et produisent un fluide et transformée en énergie mécanique.A la fin du rotor, le fluide est collecté dans un espace appelé Coupe B-B Turbomachines 1Dans les deux cas, les efforts aérodynamiques entrainent le rotor à une vitesse roduisent un travail moteur.
C'est ainsi que l'énergie est soustraite au ormée en énergie mécanique. a fin du rotor, le fluide est collecté dans un espace appelé " Fond d'échap Turbomachines 1 le rotor à une vitesse énergie est soustraite au échappement ». Turbomachines 1 Cinématique de l'écoulement rotorique - triangle des vitesses Pour analyser l'écoulement dans un rotor de turbomachine, il est commode d'exprimer la vitesse tantôt dans un repère lié aux parties fixes de la machine (distributeur, diffuseur, stator) appelée vitesse absolue et notée ⃗, tantôt dans un repère lié aux parties tournantes de la machine (axe, roue) appelée vitesse relative et notée ⃗ .
La relation entre ces vitesses est simplement : ⃗= ⃗+ ⃗ Où ⃗ est la vitesse d'entraînement correspondant au mouvement du repère tournant.
S'agissant d'un mouvement de rotation pure, la vitesse d'entraînement est : = × La vitesse d'entraînement est purement tangentielle. Figure 6 : trajectoire relative et absolue en un point M sur une roue Les vitesses absolue, relative et d'entraînement étant dans un même plan, on les visualise aisément à l'aide d'un diagramme vectoriel dans ce plan, auquel on donne le nom de triangle des vitesses. Turbomachines 1 Figure 7 : Triangle des vitesses On note α est l'angle entre le vecteur vitesse absolue et le vecteur vitesse d'entraînement.
L'angle β est l'angle entre le vecteur vite