Une turbine à vapeur est une machine qui exploite l'énergie thermique de la vapeur à haute pression. L'énergie thermique est convertie en énergie mécanique utile par une transformation thermodynamique d'expansion. La turbine à vapeur transforme l'énergie interne de la vapeur en énergie cinétique de rotation.
La turbine à vapeur a complètement prévalu sur la machine à vapeur grâce au meilleur rendement thermique et au meilleur rapport puissance / poids.
Une efficacité maximale se produit lorsque l'expansion de la vapeur est un processus idéal. Dans ce cas, la pression de la vapeur diminue et devient un travail mécanique, en un nombre infini d'étapes.
Une façon de classer les différents types de turbines est selon leur degré de réaction:
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Turbines à action: L'expansion s'effectue sur les pales fixes.
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Turbines à réaction: L'expansion peut être réalisée à la fois dans les aubes fixes et mobiles. L’aubage mobile permet de ámeillorer la performance de turbines.
Le principe de fonctionnement des turbines à vapeur est généralement en circuit fermé similaire aux turbines à gaz. L'entrée de vapeur est régulée par les vannes d'entrée. A la sortie de la turbine, il y a généralement un condenseur de vapeur.
À quoi servent les turbines à vapeur?
Il existe différentes utilisations des turbines en fonction de la manière dont vous souhaitez utiliser l'énergie de la vapeur.
1. Centrales thermiques et production d'électricité
C’est le cas d’une turbine à vapeur d’une centrale nucléaire.
Les turbines à vapeur peuvent être utilisées pour produire de l'électricité, couplées à des générateurs, souvent sans avoir besoin de boîtes de vitesses. Les turbo alternateurs sont des turbines connectées à un alternateur électrique.
Quelques exemples sont les centrales nucléaires, les centrales électriques au charbon et certaines centrales solaires thermiques.
Toutes les centrales thermiques produisent ensemble environ 80% de l'électricité dans le monde.
Dans ce cas, ils fonctionnent dans des régimes idéaux, car les générateurs doivent tourner à une vitesse constante.
En outre, la turbine à vapeur peut également fonctionner comme le moteur d'un générateur électrique. Le principal avantage est qu'il ne nécessite aucun élément mécanique qui transforme le mouvement alternatif en mouvement rotatif.
Les turbines pour la production d'électricité couplent généralement l'arbre de la turbine à son générateur.
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.
2. Procédés industriels
Un autre domaine dans lequel les turbines à vapeur sont utilisées est celui des usines telles que les raffineries, les papeteries et autres usines où des niveaux élevés de vapeur de procédé sont nécessaires.
L'installation peut être conçue de manière à utiliser la turbine à vapeur pour obtenir une synergie entre:
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Production de vapeur
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Celui de l'énergie électrique ou des travaux mécaniques.
3. Turbines à vapeur pour le transport
Les turbines à vapeur sont également utilisées comme moteurs marins sur les navires, où les dimensions limitées sont un avantage. Des locomotives à propulsion à turbine à vapeur ont également été construites, mais leur diffusion était très limitée.
Sur les navires, la propulsion basée sur des turbines à vapeur présente de multiples avantages par rapport aux moteurs à combustion thermique:
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Taille et poids plus petits pour la même puissance
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Moins d'entretien
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Moins de vibrations.
Cependant, une turbine à vapeur n'est efficace qu'à des vitesses de rotation élevées. Cela nécessite des transmissions précises et complexes (et à un coût élevé).
Une alternative est l'utilisation de la propulsion turbo-électrique. Dans ce système, les turbines génèrent de l'énergie électrique comme dans une centrale électrique. L'énergie obtenue est utilisée pour alimenter les moteurs électriques qui entraînent les hélices.