Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Turbine à vapeur

Turbine à vapeur

Une turbine à vapeur est une machine qui exploite l'énergie thermique de la vapeur sous pression pour la convertir en énergie mécanique utile par le biais d'une transformation thermodynamique de la dilatation. Plus précisément, la turbine à vapeur convertit l’énergie interne de la vapeur en énergie cinétique de rotation.

La turbine à vapeur, grâce au rendement thermique le plus élevé et au meilleur rapport puissance / poids, a complètement remplacé le moteur à vapeur, qui était un moteur alternatif inventé par Thomas Newcomen puis considérablement amélioré par James Watt.

D'un point de vue thermodynamique, l'efficacité maximale est obtenue lorsque la dilatation de vapeur est un processus idéal (transformation réversible) dans laquelle la pression de vapeur diminue, devenant un travail mécanique en un nombre infini d'étapes. La machine alternative de Watt était à un étage et des améliorations ont été apportées dans la plupart des deux ou trois étages (double et triple expansion). En revanche, les turbines à vapeur modernes atteignent un rendement thermique élevé grâce à la présence d’un plus grand nombre d’étages en série.

Les turbines à vapeur sont coûteuses et nécessitent des processus de fabrication avancés et des matériaux de haute qualité. De plus, ils ont un rendement élevé lorsqu'ils fonctionnent à des vitesses de plusieurs milliers de tours. Par conséquent, si la charge tourne à des vitesses inférieures, une boîte de vitesses est nécessaire. Toutefois, si la puissance installée est élevée, les coûts d'investissement élevés sont compensés par le fait que la turbine à vapeur consomme moins de carburant, nécessite moins de maintenance et est plus petite comparée à un autre moteur thermique à puissance égale.

Applications des turbines à vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être utilisées pour produire de l'électricité, couplées à des générateurs, souvent sans nécessiter de réducteurs. Dans ce cas, ils fonctionnent dans des régimes idéaux, car les générateurs doivent tourner à une vitesse constante (3000 tr / min pour les réseaux 50 Hz et 3600 tr / min pour les réseaux 60 Hz. Dans certains cas, notamment dans les centrales nucléaires, ils utilisent des générateurs de 4 pôles qui tournent à la moitié de la vitesse). En outre, la turbine à vapeur, en tant que machine tournante, est avantageuse en tant que moteur d’un générateur électrique, puisqu’elle n’exige aucun élément mécanique pour transformer le mouvement alternatif en mouvement rotatif.

Un autre domaine d'application typique des turbines à vapeur concerne les installations telles que les raffineries, les usines de papier, les usines de dessalement et d'autres installations nécessitant des niveaux élevés de vapeur de traitement. L’installation peut être conçue de manière à utiliser la turbine à vapeur pour obtenir une synergie entre la production de vapeur et celle d’énergie électrique ou de travaux mécaniques.

Les turbines à vapeur sont également utilisées comme moteurs marins sur les navires, où les dimensions limitées sont un avantage. Des locomotives à turbine à vapeur à hélice ont également été construites, mais leur diffusion a été très limitée.

Production d'électricité

Les centrales électriques basées sur la production de vapeur à haute température (centrales thermiques, centrales nucléaires, centrales géothermiques, certaines centrales solaires thermiques, etc.) utilisent des turbines à vapeur reliées à des générateurs électriques pour produire environ 80% de l'électricité. de la planète.

 

Les turbines pour la production d'électricité sont généralement directement couplées à leur générateur.

Comme les générateurs doivent tourner à des vitesses synchrones par rapport à la vitesse de la fréquence du réseau d'alimentation sont communs rotation de 3000 tours par minute pour les systèmes 50 Hz et 3600 tours par minute pendant 60 systèmes Hz.

Les réacteurs nucléaires fonctionnant à des températures plus basses et avec une pression de gaz inférieure à celle des centrales thermiques, ils fonctionnent généralement à une vitesse deux fois moins rapide, mais avec des générateurs à 4 pôles.

Propulsion marine

Sur les bateaux, la propulsion par turbine à vapeur présente de nombreux avantages par rapport aux moteurs à explosion thermique: taille et poids réduits pour la même puissance, moins d'entretien et moins de vibrations. Cependant, une turbine à vapeur n’est efficace qu’à des vitesses de rotation élevées (de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute), alors que la plupart des hélices sont conçues pour fonctionner à moins de 100 tr / min. Cela nécessite des transmissions précises et complexes (et à un coût élevé).

Une alternative est l'utilisation de la propulsion turbo-électrique, dans laquelle les turbines génèrent de l'électricité comme dans une centrale énergétique et est utilisée pour alimenter des moteurs électriques qui déplacent les hélices. Bien que le coût de fabrication soit plus élevé, il est rentable, car les coûts de consommation d’énergie et d’entretien sont inférieurs à ceux d’un moteur à combustion de puissance équivalente.

Il faut dire que les moteurs diesel sont plus efficaces: les turbines à vapeur n’atteignent toujours pas une efficacité de 50%, alors que les moteurs à cycle diesel dépassent souvent ce niveau (en particulier dans les systèmes de propulsion marine).

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Dernier examen: 21 novembre 2018

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