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Turbine d'une centrale nucléaire

Nucléaire Cattenon usine,
France

Qu'est-ce qu'une turbine à vapeur?

Une turbine à vapeur est une machine qui exploite l'énergie thermique de la vapeur sous pression, la convertissant en énergie mécanique utile grâce à une transformation par expansion thermodynamique. Plus précisément, la turbine à vapeur convertit l'énergie interne de la vapeur en énergie cinétique de rotation.

Qu'est-ce qu'une turbine à vapeur?

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

D'un point de vue thermodynamique, l'efficacité maximale se produit lorsque l'expansion de la vapeur est un processus idéal (transformation réversible) dans lequel la pression de la vapeur diminue, se transformant en travail mécanique, en un nombre infini d'étapes. La machine alternative de Watt était à un étage et des améliorations ultérieures ont été utilisées sur 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 sont très efficaces lorsqu'ils fonctionnent à des vitesses de milliers de tr / min, donc si la charge tourne à des vitesses inférieures, une boîte de vitesses est nécessaire. Cependant, 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 d'entretien et est de plus petite taille par rapport à un moteur thermique alternatif de puissance égale.

Applications de turbines à vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être utilisées pour produire de l' électricité, couplées à des générateurs, souvent sans avoir besoin de boîtes de vitesses. Dans ce cas, ils fonctionnent à des régimes idéaux, puisque les générateurs doivent tourner à vitesse constante (3000 rpm pour les réseaux 50 Hz et 3600 rpm pour les réseaux 60 Hz; dans certains cas, notamment dans les centrales nucléaires, ils utilisent des générateurs de 4 pôles tournant à demi-vitesse).

De plus, la turbine à vapeur, étant une machine rotative, est avantageuse en tant que moteur de générateur électrique, car elle ne nécessite aucun organe mécanique qui transforme le mouvement alternatif en un mouvement rotatif.

Un autre domaine d'application typique des turbines à vapeur est celui des usines telles que les raffineries, les papeteries, les usines de dessalement et d'autres usines où des niveaux élevés de vapeur de procédé sont nécessaires. L'installation peut être conçue de telle manière qu'elle utilise la turbine à vapeur pour obtenir une synergie entre la production de vapeur et celle d'énergie électrique ou de travail mécanique.

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 propulsion ont également été construites, mais leur diffusion était très limitée.

Production d' électricité avec des turbines à vapeur

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 du planète.

Les turbines pour la production électrique sont généralement couplées directement à votre générateur.

Comme les générateurs doivent tourner à des vitesses synchrones par rapport à la fréquence du système électrique, les vitesses de rotation les plus courantes sont de 3 000 tr / min pour les systèmes 50 Hz et de 3 600 tr / min pour les systèmes 60 Hz.

Comme les réacteurs nucléaires fonctionnent à des températures plus basses et avec une pression de gaz inférieure à celle des centrales thermiques, ils fonctionnent généralement à la moitié de la vitesse de rotation, mais avec des générateurs à 4 pôles.

Propulsion marine basée sur des turbines à vapeur

Sur les navires, la propulsion par turbine à vapeur présente de multiples avantages par rapport aux moteurs à combustion interne: une taille et un poids plus petits 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 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'énergie électrique comme dans une centrale électrique et qui est utilisée pour alimenter les moteurs électriques qui entraînent les hélices. Bien que le coût de fabrication soit plus élevé, cela est rentable, car la consommation d'énergie et les coûts d'entretien sont inférieurs à ceux d'un moteur thermique de puissance équivalente.

Il va sans dire que les moteurs diesel sont capables d'une plus grande efficacité: les turbines à vapeur n'atteignent toujours pas 50% de rendement, alors que les moteurs diesel à cycle dépassent souvent ce niveau (en particulier dans les systèmes de propulsion marine).

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Date de publication : 21 novembre 2018
Dernier examen : 21 novembre 2018