Qu'est-ce qu'une turbine ?

Les turbines convertissent l'énergie d'un gaz ou d'un fluide en puissance en transformant l'énergie cinétique du fluide de travail sous forme de vitesse et l'énergie potentielle sous forme de pression en énergie cinétique de rotation via plusieurs aubes de turbine fixées à un arbre. L'aube est essentiellement un levier poussé par l'élan et la pression du fluide, et la force exercée sur le levier crée un couple autour de l'arbre, produisant de l'énergie mécanique. Cette énergie peut ensuite être utilisée par n'importe quel système fixé à l'arbre.

Le mot « turbine » vient du latin turbo, qui signifie « tourbillonner ». Cette approche à flux continu pour extraire l'énergie d'un fluide contraste avec les machines d'extraction d'énergie à piston, comme un moteur à combustion interne (ICE) ou un moteur à vapeur. Les appareils qui utilisent une turbine pour l'extraction de puissance sont généralement classés dans la catégorie des turbomachines.

Les êtres humains utilisent des turbines pour stimuler l'innovation industrielle depuis des millénaires, en commençant par de simples roues à eau et moulins à vent fixés sur des moulins en pierre. Aujourd'hui, nous utilisons des turbines pour exploiter l'énergie du vent, de l'eau, de l'air comprimé, de la vapeur et des gaz chauffés pour produire de l'électricité, pour rendre les moteurs de nos voitures plus efficaces, pour propulser les avions et bien plus encore. L'industrie des turbomachines se concentre sur la compréhension et l'amélioration de la thermodynamique, de la dynamique des fluides et de la robustesse des turbines et des turbomachines.

Toutes les turbines sont dotées de structures minces contre lesquelles le fluide pousse ou autour desquelles il circule. Ces structures, appelées aubes, sont fixées à un cylindre relié à un arbre. Cependant, les turbines sont classées différemment selon leur méthode d'extraction d'énergie : soit à partir de l'élan du fluide (turbines à impulsion), soit à partir de la pression du fluide (turbines à réaction). 

Turbines à impulsion

Dans une turbine à impulsion, un flux de fluide frappe une série d'aubes qui ressemblent à des pales ou à des godets. L'énergie cinétique du flux de fluide est convertie en énergie mécanique lorsque le flux de fluide déplace les aubes. Cela génère une force qui produit un couple sur l'arbre et fait tourner le rotor.

La forme la plus ancienne de turbine à impulsion est la roue à roue, dans laquelle les pales d'une roue sont mises en mouvement par le courant d'une rivière ou d'un canal. Dans les turbines à impulsion modernes, des buses créent un flux d'eau, de vapeur ou d'air comprimé à grande vitesse. Contrairement aux turbines à réaction, les turbines à impulsion n'ont pas besoin d'enceinte pour guider le fluide. Dans un système de turbine à impulsion, la pression du fluide ne change pas après la sortie de la buse, et la direction du flux de fluide est souvent modifiée de manière significative après l'impact sur les aubes de turbine.

Turbines à réaction

Les turbines à réaction fonctionnent en acheminant un fluide à travers un ensemble d'aubes qui dilatent le fluide, convertissant la pression en force sur les aubes. Chaque aube reçoit la même charge. Une turbine à réaction peut comporter plusieurs jeux de rotors, appelés étages, qui sont optimisés en fonction de la pression dans cette partie du flux de fluide.

Les types de turbines à réaction les plus visibles sont les éoliennes et les turbines à gaz utilisées pour les moteurs à réaction. La plupart des turbines à vapeur et à gaz naturel sont des turbines à réaction. Les turbines à réaction utilisent une enveloppe ou un carter pour positionner le flux de fluide à travers les aubes de turbine. Dans les turbines à réaction, le flux subit une chute de pression importante lorsque le fluide se déplace dans la turbine.

Principaux composants des turbines

Une bonne façon de comprendre le fonctionnement des turbines consiste à examiner le rôle de chacun des principaux composants.

Aubes de turbine

Les aubes sont les composants les plus importants d'une turbine. Elles sont fixées à un arbre via une plateforme, généralement un disque. Les aubes de turbine sont parfois appelées aubes de rotor. L'objectif d'une aube de turbine est de convertir l'élan ou la chute de pression en une force agissant perpendiculairement à l'axe de rotation, créant ainsi un couple autour de l'arbre.

Les aubes de turbine peuvent être très simples, comme les pales plates plongeant dans un canal d'eau et inclinées perpendiculairement à la direction du flux. Elles peuvent également être très complexes, comme une turbine radiale dans un turbocompresseur, disposée en hélice pour convertir le flux de la circonférence du rotor vers l'intérieur en un flux axial aligné sur l'arbre. Certaines aubes sont très fines et hautes, comme dans une turbine à vapeur ou une éolienne. D'autres sont plus longues et relativement épaisses, comme dans les aubes haute pression des moteurs à turbine à gaz.

Rotor de turbine

La roue, le disque ou le tambour auquel les aubes de turbine sont fixées est appelé rotor de turbine.

Arbre

La puissance mécanique produite par les aubes de turbine et transférée par le rotor de turbine est transmise hors de la turbine par un arbre. L'arbre est relié à la structure statique par des paliers à grande vitesse. Plusieurs rotors de turbine peuvent être fixés au même arbre. L'arbre est relié à n'importe quel système que la turbine alimente, souvent via une boîte de vitesses.

Boîte de vitesses

Il se peut que la vitesse de rotation ou le couple de l'arbre ne corresponde pas à l'application de la turbine. Une boîte de vitesses est souvent ajoutée à une turbine pour augmenter ou diminuer la vitesse de rotation de la turbine et inversement diminuer ou augmenter le couple.

Ensemble rotor de turbine

L'ensemble rotor de turbine est la partie rotative d'une turbine composée du rotor de turbine, de l'arbre et des aubes de turbine. Ces trois composants peuvent être séparés et assemblés par différents mécanismes ; les composants constitutifs peuvent également être fabriqués à partir d'une seule pièce de matériau.

Groupe rotatif

Un groupe rotatif est un ensemble de rotors de turbine qui tournent à la même vitesse. La plupart des turbines à gaz sont dotées d'un groupe rotatif haute pression à plusieurs étages qui alimente un compresseur et d'un groupe rotatif basse pression qui alimente le ventilateur de propulsion ou l'arbre de puissance. Dans une turbine à vapeur, plusieurs étages sont utilisés pour extraire la pression à mesure que l'énergie diminue dans la vapeur.

Aubes ou pales de stator

La vitesse, l'amplitude et la direction, ainsi que la pression du flux de fluide entrant et sortant d'un ensemble rotor de turbine, sont essentielles aux performances de la turbine. Les turbines utilisent des aubes fixes en amont et en aval de l'ensemble rotor pour contrôler la pression, la vitesse axiale et la vitesse tangentielle ou le tourbillon. Ces aubes non rotatives sont appelées aubes ou pales de stator.

Étage de turbine

Un étage de turbine fait référence à un seul ensemble rotor et à ses composants statiques de support, y compris le stator avec lequel il est couplé. De nombreuses turbines comportent plusieurs étages dans leur section de turbine et souvent deux sections de turbine ou plus, chacune étant optimisée pour une chute de pression spécifique.

Buse

Une buse convertit la pression en vitesse et dirige le flux sous la forme d'un courant cylindrique à l'angle optimal. Dans les turbines à réaction, les aubes qui convertissent la pression en vitesse sont souvent appelées buses.

Paliers

Les paliers, qui permettent à l'ensemble rotor de tourner par rapport aux parties fixes du système, constituent un composant essentiel de toute turbine. La vitesse, la température, l'environnement de fonctionnement et les charges d'une turbine déterminent le type et la taille des paliers nécessaires.

Enveloppe ou carter de turbine

La plupart des turbines à réaction nécessitent une surface solide sur le diamètre extérieur de l'ensemble rotor de turbine pour forcer le fluide à travers les aubes. Cette enveloppe extérieure est appelée enveloppe ou carter de turbine. Le carter de turbine fait généralement partie de la structure fixe de la turbine. Dans le cas d'un rotor de turbine à enveloppe, une bande de matériau est ajoutée au diamètre extérieur de l'ensemble rotor.

Entrée

L'entrée est la zone dans laquelle le fluide pénètre dans la turbine. L'entrée est conçue pour obtenir la pression et la vitesse optimales pour la turbine. Des aubes ou des vannes mobiles sont souvent placées dans les entrées pour contrôler le flux dans la turbine.

Sortie

Le fluide de travail sort de la turbine par la sortie. Les ingénieurs optimisent également la forme de la sortie pour améliorer les performances.

Structure statique

Les parties non rotatives d'une turbine. La structure statique comprend l'entrée et la sortie, les supports, le matériel de refroidissement, les structures de maintien des paliers, ainsi qu'un carter ou une enveloppe permettant de maintenir le flux à l'intérieur de la turbine et les objets étrangers hors du flux.

Système d'instrumentation et de commande

Les commandes mécaniques et électroniques et les capteurs qui mesurent les propriétés physiques de la turbine constituent un élément essentiel de toute turbine. Ils font généralement partie du système de commande de l'ensemble de la turbomachine et sont utilisés pour modifier les entrées de la turbine afin d'en optimiser l'efficacité, les performances et la sécurité. 

Il existe de nombreuses façons de classer les turbines. Ces classifications se réfèrent à la machine rotative qui convertit l'énergie d'un fluide en mouvement en travail utile, et non à l'ensemble du système de turbomachine ou aux dispositifs externes alimentés par la turbine.

Voici quelques façons courantes de spécifier le type de turbine utilisé dans une turbomachine :

• Fluide de travail : Les turbines peuvent convertir l'énergie de l'eau, du vent, de la vapeur, des gaz chauffés ou de l'air comprimé.
• Direction du flux : Le flux axial est aligné sur l'arbre, le flux tangentiel est perpendiculaire à l'arbre et le flux radial est orienté vers l'intérieur à partir du diamètre extérieur vers l'arbre. Certaines turbines impliquent un flux mixte, avec un flux radial à l'entrée et un flux axial à la sortie.
• Extraction d'énergie à partir de la vitesse ou la pression : Comme mentionné précédemment, les turbines à impulsion utilisent la vitesse contre une aube pour créer une force, tandis que les turbines à réaction utilisent la pression.

Types et applications courants des turbomachines

Il est difficile de parler de turbines sans définir le type de machines qu'elles alimentent. Vous trouverez ci-dessous une liste des types de turbomachines les plus courants, la source d'énergie des fluides de travail qu'ils utilisent et quelques applications bien connues pour chacun d'entre eux.

Turbines hydrauliques ou à eau

Le plus ancien type de turbomachine est la turbine hydraulique ou à eau. Le fluide de travail est l'eau et la source d'énergie de l'eau est la gravité. Lorsqu'elles sont utilisées pour produire de l'énergie dans des barrages, les turbines hydroélectriques présentent généralement une conception à flux mixte directement reliée à un générateur situé à la base du barrage. La production d'énergie est l'application la plus courante des turbines hydrauliques.

Turbines à vapeur

Dans le monde, la plupart des centrales électriques utilisent des turbines à vapeur pour produire de l'électricité. De la chaleur est ajoutée à l'eau pour provoquer un changement de phase, ce qui permet de capter une énergie importante. La source de cette énergie thermique est généralement la combustion de combustibles fossiles, mais elle peut également provenir d'un réacteur nucléaire. Une forme croissante d'énergie renouvelable utilise l'énergie solaire concentrée pour faire bouillir l'eau destinée aux turbines à vapeur des grandes centrales électriques.

Turbines éoliennes

Les êtres humains ont développé les moulins à vent, puis les éoliennes, pour exploiter l'énergie éolienne en tant qu'alternative au travail humain et animal. Le chauffage solaire de l'atmosphère est la source d'énergie du vent. Les systèmes modernes d'énergie éolienne utilisent de grandes éoliennes à trois aubes très efficaces, rassemblées dans des parcs éoliens sur terre ou en mer. L'écrasante majorité des grandes éoliennes, comme celle illustrée sur la photo ci-dessus, sont des éoliennes à axe horizontal. Des éoliennes à axe vertical plus petites sont parfois utilisées dans des environnements plus urbains. Bien que certaines régions du monde utilisent encore l'énergie éolienne pour faire tourner des moulins et pomper de l'eau, la production d'électricité est aujourd'hui la principale utilisation des éoliennes.

Turbines à air

Les outils manuels très performants sont souvent actionnés directement par de l'air comprimé. L'énergie est ajoutée à l'air par un piston et stockée dans un réservoir sous pression. Une vanne libère l'air haute pression qui vient frapper une turbine à impulsion, généralement une roue Pelton, afin de générer des vitesses de rotation très élevées. La forme la plus courante de turbine à air est la fraise dentaire.

Turbines à gaz ou moteurs à turbine

Les turbines à gaz, ou turbines à combustion, constituent une grande famille de turbomachines qui utilisent une chambre de combustion pour ajouter de l'énergie à un gaz qui se dilate ensuite dans une turbine. Les turbines qui assurent la propulsion sont appelées moteurs à turbine. Les turbines à gaz comprennent généralement un compresseur entraîné par un groupe rotatif dans la section de turbine qui améliore l'efficacité de la combustion. Les classifications des turbines à gaz incluent le type de combustion qu'elles utilisent ou la manière dont leur puissance est utilisée.

• Turbines de puissance : Il s'agit de turbines à gaz, généralement alimentées par du gaz naturel, qui alimentent des générateurs pour la production d'électricité afin de fournir de l'énergie électrique plutôt que de la propulsion.
• Turbocompresseurs : Une turbine extrait l'énergie inutilisée de la combustion dans un moteur à combustion interne pour alimenter un compresseur en amont des cylindres, ce qui rend la combustion plus puissante.
• Turboréacteurs : Les moteurs à turboréacteur produisent la poussée des avions uniquement à partir de la combustion et disposent d'un groupe rotatif unique qui, à l'instar d'un turbocompresseur, entraîne un compresseur, augmentant ainsi l'efficacité de la combustion.
• Turboréacteurs à double flux : Les moteurs à turboréacteur à double flux sont dotés d'un deuxième groupe rotatif qui entraîne un grand ventilateur, une hélice carénée efficace, qui constitue la principale source de poussée. Ils sont plus efficaces que les moteurs à turboréacteur et constituent aujourd'hui la principale forme de propulsion des avions commerciaux.
• Turbomoteurs : Au lieu de produire une poussée pour la propulsion, les turbomoteurs produisent un couple permettant de faire fonctionner une hélice d'avion, une hélice de bateau ou des roues de véhicules terrestres.
• Turbopompes : Les turbopompes utilisent les gaz chauds issus de la combustion pour entraîner les pompes. Les types de turbopompes les plus courants sont les pompes à carburant pour les moteurs-fusées à combustible liquide ou les pompes à haut débit pour l'extraction du pétrole et du gaz. 

Les ingénieurs qui travaillent sur la conception des turbines examinent les différents aspects de la définition et de l'optimisation d'une turbine. Dans les premières turbines, la géométrie des aubes, la configuration de l'entrée et la conception du rotor étaient déterminées par tâtonnements, puis par de simples équations. Mais à mesure que la demande de turbines plus efficaces et moins coûteuses a augmenté, les ingénieurs se sont tournés vers la simulation avancée pour piloter leurs conceptions.

Comme pour tous les développements, la conception d'une turbine repose sur l'équilibre entre le coût, l'efficacité, les performances et la robustesse. Pour les turbines utilisées dans la propulsion des avions, les ingénieurs doivent également tenir compte du poids.

Conception de la veine fluide

La configuration de base d'une turbine est déterminée lors de la phase de conception de la veine fluide. Les ingénieurs en charge des performances se penchent sur le comportement thermodynamique d'une turbine dans le contexte de l'ensemble du système de turbomachines qu'elle alimente. Ils peuvent utiliser un outil de flux 2D tel que le logiciel de conception de turbomachines Ansys Vista TF pour tester différents types de flux, de configurations d'étages, d'options de stator et de géométries d'entrée et de sortie.

Conception des aubes et du stator

Une fois la veine fluide définie, l'étape suivante consiste à concevoir les aubes de turbine et les stators associés à chaque étage. Les calculs de base, appelés diagrammes vectoriels, peuvent donner aux ingénieurs une première idée. Ensuite, ils doivent créer une géométrie 3D et utiliser un outil universel de calcul de dynamique des fluides (CFD), comme le logiciel de simulation de fluides Ansys Fluent, ou une plateforme CFD spécialisée dans les turbomachines, comme le logiciel Ansys CFX. Les ingénieurs utilisent des outils de ce type pour affiner la géométrie 3D afin d'optimiser l'extraction d'énergie à partir d'un flux de fluide dans de multiples conditions de fonctionnement. La conception des aubes est un processus itératif qui s'affine au fil du temps.

Conception de composants à plusieurs étages et transitoires

Une fois la conception des aubes terminée, l'étape suivante consiste à optimiser la manière dont les étages statiques et rotatifs fonctionnent conjointement. Les angles des aubes et du stator de chaque étage sont modifiés afin que les ingénieurs puissent examiner le flux statique et transitoire au fil du temps en utilisant les fonctionnalités avancées d'outils spécifiques aux turbomachines tels que les logiciels CFX ou Fluent, qui peuvent modéliser à la fois les régions fixes et rotatives.

Conception structurelle et thermique

La conception des parties rotatives et statiques d'une turbine est difficile et complexe en raison des conditions de charge extrêmes et de la nature cyclique de ces charges élevées. Les températures élevées des turbines à gaz et à vapeur posent également leurs propres problèmes, tout comme les vibrations induites par la pression cyclique et les charges de rotation que les turbines rencontrent. La plupart des ingénieurs thermiciens et mécaniciens impliqués dans la conception des turbines se tournent vers un outil de simulation multiphysique polyvalent tel que le logiciel d'analyse structurelle par éléments finis (FEA) Ansys Mechanical pour capter le comportement statique, dynamique et vibratoire de chaque composant et ensemble d'une turbine. Il s'agit notamment de simuler les paliers, le refroidissement secondaire, la dynamique du rotor, les contraintes des disques, les contraintes des aubes, la durabilité et les contraintes thermiques. Les ingénieurs peuvent également associer un outil CFD tel que le logiciel CFX à un programme structurel comme le logiciel Mechanical pour comprendre l'interaction des vibrations entre les domaines des fluides et de la structure.

Conception du système

Les ingénieurs doivent également concevoir les turbines dans le contexte de l'ensemble du système auquel elles appartiennent. Une fois le système cartographié, les ingénieurs utilisent un outil d'ingénierie système basée sur des modèles (MBSE) comme le logiciel Ansys ModelCenter pour s'assurer que chaque composant est optimisé à l'échelle du système.

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Ressources connexes