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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 15:25

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Lorsqu’en 2006 j’avais présenté un panorama (non exhaustif) des moteurs thermiques de l’antiquité à nos jours dans « LES HISTOIRES DE BONNERUE », j’avais consacré un chapitre aux turbines. La description, très générale, des différents types de turbines «méritait» plus de précisions, compte tenu du fait que les plus puissants des navires (porte-avions, bâtiments de ligne, croiseurs, escorteurs d’escadre et rapides) équipant notre Marine Nationale utilisaient majoritairement ce mode de propulsion. Aujourd’hui encore, notre P.A.N. « Charles De Gaulle », quelques frégates de premier rang, ainsi que tous nos sous-marins nucléaires, mettent en œuvre des turbines à vapeur dans leur appareil propulsif. De nombreux navires dont l’appareil moteur principal est constitué de moteurs diesel pour la navigation en régime «normal», utilisent en appoint des turbines à gaz pour atteindre leur vitesse maximum.

Durant les trente dernières années du XVIIème siècle, Denis PAPIN s’inspirant de travaux antérieurs, mit en pratique la force que pouvait exercer la vapeur d’eau en déplaçant un piston dans un cylindre selon un mouvement longitudinal limité. En refroidissant le cylindre, le piston redescendait, poussé par la pression atmosphérique «aidée» de la force de gravité. Il fallut ensuite imaginer la transformation du mouvement rectiligne alternatif en mouvement circulaire continu. Il réalisa une seconde machine destinée à remonter de l’eau pour alimenter des fontaines ornant les jardins des châteaux. Il eut l’idée d’utiliser cette machine pour pomper de l’eau qu’il faisait remonter et chuter sur une roue à godets, ce qui la faisait fonctionner comme un moulin à eau, obtenant ainsi la transformation en mouvement circulaire continu. Il construisit un bateau qui était propulsé par ce dispositif.

Il fallut par la suite adapter le système «bielle-manivelle» connu depuis le moyen âge (1430 environ). C’est James WATT qui réalise cette adaptation presque un siècle après les réalisations de Denis PAPIN. Dans la première moitié du XIXème siècle, à partir du moment où il fut décidé de mécaniser les navires, tout d’abord en appoint de la propulsion à la voile, le monde resta longtemps sur ce concept moteur pour faire tourner tout d’abord des roues à aubes, puis par la suite des hélices. Les machines à vapeur alternatives fonctionnant tout d’abord à basse pression et à simple effet vont, grâce à James WATT, évoluer pour fonctionner à double effet, à double voire à triple expansion, être de plus en plus puissantes et économes en combustible. Cependant, elles sont volumineuses et lourdes, occupant beaucoup de place à bord.

Pour obtenir directement un mouvement circulaire continu sans passer par le système bielle-manivelle, déjà, au IIème siècle avant Jésus-Christ, HÉRON D’ALEXANDRIE avait inventé une machine qu’il avait baptisé «Eolipile» (boule d’Eole) dont le mouvement s’apparentait à celui d’une turbine à vapeur à réaction, mais personne n’eut le trait de génie de l’utiliser pour créer une force motrice exploitable. On connaissait pourtant depuis longtemps le moulin à eau qui fonctionnait grâce à la force exercée par une chute d’eau sur les palettes (ou les auges) d’une roue à aubes. En se référant à un dessin de Denis PAPIN, on peut penser que c’est un dispositif similaire qui lui avait permis de motoriser son bateau : la chute d’eau naturelle étant remplacée par une machine à vapeur qui remontait l’eau retombant sur une roue à godets. Les technologies dont les gens disposaient alors ne permettaient pas encore de créer un système moteur utilisant directement la force d’un gaz sous pression, en l’occurrence la vapeur d’eau, pour faire tourner une roue à aubages, qui sera plus tard appelé « TURBINE ».

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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 15:36

En 1884 un ingénieur britannique, Charles Algernon PARSONS, étudia un dispositif de motorisation par une turbine à vapeur. On connaît un dessin de sa première turbine qui date de 1887. Dans son étude, il avait prévu un modèle d’aubage tel que le passage laissé entre deux ailettes avait le profil d’une tuyère convergente-divergente. Conformément à la loi de BERNOUILLI, dans la partie convergente d’une tuyère, la pression du fluide qui la traverse diminue en allant vers la partie de plus faible diamètre (le col), alors que la vitesse d’écoulement augmente. Dans la partie divergente, la pression remonte pour atteindre à la sortie une pression toutefois inférieure à la pression d’entrée, alors que la vitesse diminue pour atteindre à la sortie une valeur supérieure à celle d’entrée.

Un petit navire expérimental, le «Turbinia», va être construit sur les plans de PARSONS et équipé d’une propulsion par turbine à vapeur. Il atteindra en 1897 la vitesse de 34 nœuds, «faramineuse» pour l’époque. Au départ il aura rencontré des phénomènes de cavitations sur l’hélice, dus essentiellement à la connexion directe de celle-ci avec la turbine. On va donc équiper l’installation d’un réducteur à engrenages pour faire en sorte que l’hélice tourne moins vite que la turbine, ce qui permettra à cette dernière d’atteindre 18.000 t/mn. De cette expérience, la marine britannique va tirer des enseignements qui la conduiront à construire les premiers torpilleurs à turbine, les HMS « Viper » et « Cobra ». Le fonctionnement de ces navires va convaincre l'amirauté britannique que c'est la voie de l'avenir. L'arrivée de l'amiral John Arbuthnot Fisher comme Premier Lord de l'amirauté, avec ses idées de flotte constituée de torpilleurs, de sous-marins et des futurs croiseurs de bataille, joua le rôle de déclencheur. Fisher, bien que prônant la vitesse comme principale protection, tint a créer un cuirassé inspiré de ses idées : le « Dreadnought », de 160 mètres de longueur, 25 mètres de largeur, 8 mètres de tirant d’eau, jaugeant 18.420 tonnes, dont la machine composée de 4 turbines à vapeur Parsons développait 22.500 ch et qui progressait jusqu’à la vitesse de 21 nœuds. La disposition et les calibres des son artillerie étaient nouveaux. Au début du XXème siècle, ce modèle de navire de combat moderne, va mettre la flotte britannique au premier rang mondial des marines de guerre et provoquer l’intérêt de nombreux autres pays, dont l’Allemagne et la France, qui vont s’en inspirer pour moderniser leurs flottes respectives.

Par la suite, fin XIXème et début XXème, Gustaf de LAVAL, un Suédois, puis Auguste Camille Edmond RATEAU en France, développèrent la turbine à action. Dans la Marine Nationale, les séries de bâtiments propulsés par turbines à vapeur étaient équipés soit de turbines à action du type «Rateau», soit de turbines à réaction du type «Parsons», sans que la différence de performances soit significative.

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Message par Invité Lun 25 Aoû 2008 - 15:56

Génial Daniel, et bravo pour les dessins mouvants.
Jean Louis.
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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 16:05

Qu’est-ce qu’une turbine ?

Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.
L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, une pompe ou tout simplement une hélice propulsive de navire.

Turbine à vapeur

La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d'état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau, mais qui peut être un autre gaz chaud.

En ce qui concerne une turbine à vapeur, ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :
• L'eau liquide est propulsée par une pompe (TPA) et envoyée vers la chaudière,
• L'eau est chauffée, vaporisée et surchauffée,
• La vapeur se détend dans la turbine en fournissant de l'énergie mécanique,
• La vapeur détendue est condensée au contact d’une source froide sous vide partiel.

Dans les installations navales, la vapeur détendue retrouve l’état liquide dans le puit du condenseur d’où elle est extraite par une pompe (TPE) qui la renvoie dans la réserve (bâche) pour la chaudière. Elle alimente la chaudière par l’intermédiaire d’une autre pompe (TPA) et le cycle recommence. Les inévitables pertes d’eau sont compensées par une partie de la production d’eau distillée du bouilleur à partir de l’eau de mer.

Le principe est donc le même que celui de la machine à vapeur à pistons. La turbine en constitue une évolution exploitant les principaux avantages des turbomachines à savoir :
• Puissance massique et puissance volumique élevée,
• Rendement amélioré par la multiplication des étages de détente.

Le rendement croît avec la pression de la vapeur et avec la température de surchauffe. Cependant, l'augmentation de ces caractéristiques est limitée par la teneur en eau de la vapeur en fin de détente. En effet, la courbe de détente peut atteindre la courbe de saturation avec formation de gouttelettes qui nuisent à l'efficacité des derniers étages de détente. La teneur en eau liquide du mélange doit être limitée à 15 ou 20%. Finalement, c'est la pression dans le condenseur qui fixe de ce fait les pressions et température limites admissibles. La pression interne du condenseur est abaissée au-dessous de la pression atmosphérique par un système d’éjecteur à vapeur (éjectair) dont l’élément principal est une tuyère.

Ce cycle est intrinsèquement inférieur au cycle théorique idéal de Carnot. Des améliorations ont donc été imaginées pour tendre vers celui-ci. Ainsi, le réchauffage de l'eau entre le condenseur et la chaudière par de la vapeur soutirée à différents étages de la turbine permet de faire tendre la phase de chauffage isobare vers une transformation équivalente sur le plan thermodynamique à une isotherme. L'efficacité du dispositif mais également son coût croissent avec le nombre d'étages de soutirage et d'échangeurs associés. Ce nombre dépasse rarement sept unités. Le gain de rendement est de l'ordre de 5%. Ce dispositif impose de plus l'installation d'un réchauffeur d'air sur la chaudière.

D'autre part, afin de permettre d'augmenter la pression et la température malgré le problème de l'humidité en fin de détente, il est possible de renvoyer la vapeur détendue jusqu'à la saturation vers la chaudière pour procéder à une resurchauffe dans un échangeur supplémentaire. Ces étapes peuvent être multipliées pour faire tendre la phase de surchauffe vers une isotherme et donc de s'approcher d'un cycle de Carnot. Dans la pratique, les installations comprennent généralement une seule resurchauffe. Le gain de rendement peut atteindre 5%.

Le cycle comprend fondamentalement deux changements d'état (évaporation et condensation). Le diagramme de phases de l'eau permet d'envisager un cycle à un seul changement d'état par l'utilisation d'une chaudière supercritique. En effet, au delà du point critique (environ 220 bars et 350°C) ne se produit plus de changement d'état et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus être distinguées. Les cycles supercritiques nécessitent généralement une double resurchauffe pour limiter l'humidité en fin de cycle. Le gain de rendement est encore de 2 à 3% et se justifie plus facilement avec le renchérissement des combustibles.

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Message par CLAUDEL JEAN-PIERRE Lun 25 Aoû 2008 - 16:09

L'on apprend toujours de belles choses,continuez,"bravo" Bonnerue.... :bball:
Nous repartons au GEM,à domicile,cette fois ci,"Encore bravo".


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Message par † COLLEMANT Dominique Lun 25 Aoû 2008 - 16:13

BRAVO , ça c'est un super documentaire et très intéressant .
Félicitations pour l'animation des schémas !
Bien cordialement.
Bill



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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 16:17

Constitution des turbines et installation

Une turbine est constituée d'un rotor comprenant un arbre sur lequel sont fixées des aubes (ailettes) et, d'un stator constitué d'un carter portant des déflecteurs fixes, généralement constitué de deux parties assemblées selon un plan axial. Elle comprend en outre un tore d'admission segmenté et un divergent d'échappement dirigé vers le condenseur. La fonction des déflecteurs fixes est d'assurer tout ou partie de la détente en formant un réseau de tuyères et de modifier la direction de l'écoulement sortant de l'étage précédent.

Une turbine à vapeur comprend un ou plusieurs étages assurant chacun deux fonctions :

• La détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l'énergie potentielle en énergie cinétique,
• La conversion de l'énergie cinétique en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles.

Les turbines à vapeur se classent en deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine :

• Les turbines à action dans lesquelles la détente se fait uniquement dans les aubages fixes. Elles sont bien adaptées aux étages à forte pression et se prêtent mieux à la régulation de débit. Leur construction est plus coûteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine.

La forme la plus simple de turbine à vapeur est la turbine à action, dans laquelle les jets sont fixés sur la partie intérieure de l’enveloppe de la turbine, et les ailettes placées sur le bord des roues tournantes montées sur un arbre central. La vapeur se déplaçant dans une tuyère fixe passe sur les ailettes incurvées, qui absorbent une partie de l’énergie cinétique de la vapeur dilatée, faisant ainsi tourner la roue et l’arbre sur lesquels elles sont montées. Cette turbine est conçue de manière à ce que la vapeur entrant par une extrémité de la turbine se dilate à travers une succession de tuyères jusqu’à ce qu’elle ait perdu la majeure partie de son énergie interne.

La vapeur traverse le distributeur (tuyère convergente divergente) et s’y détend complètement. La vapeur est alors animée d’une grande vitesse et a une pression égale à celle du milieu dans laquelle baigne la roue à ailettes. Les canaux limités par les ailettes dirigent celle-ci, ce qui donne l’impulsion à la roue. Le fonctionnement est analogique à celui d’une roue à aubes placée dans un courant d’eau. Seule la vitesse d’écoulement du fluide communique un mouvement à la roue mobile.

• Les turbines à réaction dans lesquelles la détente est répartie entre les aubages fixes et mobiles. Le degré de réaction est défini par la répartition de la détente entre les aubages. Elles se prêtent mieux aux étages à basse pression et leur coût est plus faible.

Dans la turbine à réaction, une partie de l’énergie mécanique est obtenue par l’impact de la vapeur sur les ailettes. La partie la plus importante est obtenue par l’accélération de la vapeur lors de son passage dans la roue de la turbine, où elle se dilate. Une turbine de ce type se compose de deux jeux d’ailettes, l’un fixe, l’autre mobile. Ces ailettes sont disposées de telle façon que chaque paire joue le rôle de tuyère, à travers laquelle la vapeur se dilate lors de son passage. Dans chaque étage, une faible quantité d’énergie thermique est convertie en énergie cinétique. La vapeur se détend dans les aubes fixes, puis entraîne les aubes mobiles disposées sur la roue ou le tambour de la turbine. Les ailettes d’une turbine à réaction sont en général montées sur un tambour, qui fait alors office d’arbre.

Les turbines à réaction nécessitent en général davantage d’étages que les turbines à action. Il a pu être démontré que, pour le même diamètre et la même gamme énergétique, une turbine à réaction a besoin de deux fois plus d’étages pour obtenir un rendement maximal. Les grosses turbines, qui sont généralement à action, utilisent une certaine réaction à la base du trajet de vapeur pour assurer un débit efficace à travers les auges. Nombre de turbines, qui sont normalement à réaction, disposent d’un premier étage de commande d’impulsion, qui permet d’envisager la réduction du nombre total d’étages nécessaires. Les arbres des turbines de chaque étage sont reliés entre eux au moyen d’accouplements.
La vapeur traverse le distributeur (couronne d’ailettes fixes formant tuyère) s’y détend une 1ère fois à une pression donnée, acquiert une certaine vitesse qui agit par action à l’entrée de l’aubage mobile. Les canaux limités par les ailettes dirigent celle-ci, qui subit une nouvelle détente, donc une vitesse plus grande à la sortie qu’à l’entrée dans l’aubage mobile et produit de ce fait en quittant celui-ci, un effort de répulsion de réaction qui s’ajoute pour faire tourner le rotor dans le sens de l’impulsion et dans le sens inverse de la réaction.

La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur). Les deux premières contraintes limitent le diamètre et donc le débit capable des derniers étages. Ainsi des aubes de plus d'un mètre de longueur posent déjà de sérieux problèmes de réalisation. De plus, l'hétérogénéité radiale des vitesses impose une incidence variable de l'aube qui présente alors une forme gauche dont l'usinage est complexe.

En pratique la température est limitée à 550 ou 580°C et le maximum mis en œuvre est de 650°C. La pression est de l'ordre de 180 bars et atteint 250 bars pour les installations supercritiques.

De ce fait, les turbines de forte puissance comprennent généralement sur un même axe (disposition tandem compound) :
• Une turbine haute pression,
• Plusieurs (2 ou 3) turbines basse pression avec soutirages.
• Il est ainsi possible d'atteindre des puissances de plus de 1.000 MW avec un rendement dépassant légèrement 40%.

À l'autre extrémité, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de kW. Elles comprennent généralement un seul étage et servent à l'entraînement de machines dans l'industrie ou sur des navires. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptées à des usages industriels spécifiques (à soutirage, à contrepression, etc.).

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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 17:03

Avant de passer aux turbines à gaz, je vous présente quelques animations montrant différents types de groupes turbo-réducteurs à vapeur et leur montage sur une ligne d'arbre :

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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 17:29

Avant d'aborder les turbines à gaz, je vais en terminer avec les turbines à vapeur en ajoutant quelques informations importantes.

Le principal avantage des turbines à vapeur est d'être des moteurs à combustion externe. De ce fait, tous les combustibles (gaz, fuel, charbon, déchets, chaleur résiduelle) et notamment les moins chers peuvent être utilisés pour l'alimenter en vapeur. Le rendement peut atteindre des valeurs assez élevées d'où des frais de fonctionnement réduits.
Par contre, le coût et la complexité des installations les réservent le plus souvent à des installations de puissance élevée pour bénéficier d'économies d'échelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines à gaz sont mieux adaptés en dessous d'environ 10 MW.

Le refroidissement du condenseur nécessite de plus un important débit d'eau ou, pour les installations externes des aéroréfrigérants encombrants, ce qui limite d'emblée leur domaine d'emploi aux installations fixes. Pour les installations navales, le refroidissement du condenseur est réalisé par l’eau extérieure dont le débit est accéléré par une turbopompe de circulation (TPC).

Centrales électrogènes

Du fait de leurs caractéristiques, les turbines à vapeur sont très employées dans les centrales thermiques de moyenne et forte puissance, y compris nucléaires. Dans la gamme de puissance de 1 à 10 MW environ, elles sont utilisées dans les applications de cogénération (incinérateur de déchets et chauffage urbain, processus industriel). Il faut également signaler leur usage dans les cycles combinés ou elles permettent de valoriser en électricité la chaleur d'échappement des turbines à gaz (cogénération).

Les turbines à vapeur sont également employées dans le domaine de la propulsion navale, notamment pour les plus gros vaisseaux (pétroliers, porte-avions, sous-marins, etc.) mais sont de plus en plus souvent remplacées par des moteurs diesel ou des turbines à gaz. La fonction d'entraînement de machines est également en voie de disparition au profit des moteurs électriques. Elles n'ont à ce jour trouvé aucune application dans la propulsion routière ou ferroviaire hormis quelques tentatives avortées.

Spécificité des cycles nucléaires

Le cycle à vapeur des centrales nucléaires, ainsi que celui de la propulsion nucléaire que j'ai déjà abordé, est particulier. En effet, dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) actuellement très répandus, la chaleur issue de la fission est évacuée du cœur par un circuit primaire d'eau surchauffée à environ 150 bars et 300°C. Cette chaleur produit de la vapeur saturée dans le circuit secondaire. En sortie d'étage haute pression, la vapeur subit un séchage (séparation des gouttelettes liquides) et une surchauffe modérée (par de la vapeur en sortie du générateur de vapeur). Du fait de la température limitée de la source chaude, et donc de la vapeur créée, le rendement du cycle reste faible à environ 30%. Les centrales nucléaires ont des groupes turbo-alternateur très puissants pouvant atteindre 1.450 MW.

L'amélioration du rendement est au cœur des réflexions sur la conception des réacteurs de 4ème génération. Elle a également conduit à la réalisation d'autres types de réacteurs que les REP dans les premiers temps de l'énergie nucléaire (UNGG, CANDU, etc.) avec d'autres fluides caloporteurs notamment. Cependant, la sûreté et la fiabilité des REP les rendent actuellement incontournables.

Généralités

La turbine à vapeur est l'aboutissement d'un type de machines thermiques introduit par les machines à vapeur à piston. Les contraintes inhérentes à leur conception restreignent leur usage aux centrales électriques de forte puissance et à des applications spécifiques. On peut ainsi citer l'aéronautique ou encore les industries utilisant la vapeur sortant de la turbine. Dans ce cas on obtient de l'électricité bon marché puis la source froide n'est pas "gaspillée" dans un condenseur. On appelle ces turbines, turbines à contrepression. On rencontre cette utilisation, en particulier, dans les sucreries. Notons que dans les sucreries de cannes, le combustible est gratuit et surabondant : c'est la bagasse, la canne à sucre écrasée dont on a extrait le sucre.



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Message par Jean Veillon Lun 25 Aoû 2008 - 17:56

Bravo pour ton topo sur les turbines à vapeur; cela me rajeunit d'une bonne cinquantaine d'années et je ne dois pas être le seul.....Pour nous mécanos, les termes de thermodynamique (enthalpie, Rankine, etc...) que tu utilises nous sont parfaitement connus (vite oubliés pour ce qui me concerne), mais ne le sont généralement pas pour nos amis du pont qui ont pour certains - voire pour beaucoup - vu les machines seulement du haut des échappées.....le principal étant - et c'est le but de ton topo je suppose - qu'ils comprennent les systèmes qui les ont propulsés autour du monde et qui a été le domaine de nos préocupations et de nos soins pendant de longues années. Je parle des "vaporistes" bien sur! Je viens de retrouver mes cours du B.E sur le "TOURVILLE" et - pour étayer ta description - je me permets de mettre sur le forum, ce qui traitait de l'"action" et de la "réaction" avec en prime, les annotations de l'instructeur (Mtre MAGUET).....

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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 17:56

Turbine à gaz combustible

Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz (aussi appelée turbine à combustion) est composée de trois éléments :

• un compresseur, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une pression comprise aujourd'hui entre 10 et 30 bars environ ;
• une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin de limiter la température des gaz d'échappement ;
• une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu. On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide de travail, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturel ou des distillats légers). Il existe aussi des turbines à gaz à cycle fermé, utilisées pour des applications particulières. Bien évidemment, il s'agit alors de moteurs à combustion externe.

Pour atteindre des taux de compression r de 20 ou 30, le compresseur est multiétagé, avec parfois une réfrigération intermédiaire destinée à réduire le travail consommé. Les rotors axiaux sont constitués d'un empilage de disques, soit montés sur un moyeu central, soit assemblés en tambour sur leur périphérie. Les matériaux utilisés vont des alliages d'aluminium ou de titane pour les premiers étages aux alliages d'acier et aux alliages réfractaires pour les derniers étages, qui peuvent supporter des températures atteignant 500°C.

La chambre de combustion est normalement construite en alliage réfractaire.
Dans les turbines à gaz à cycle ouvert, les principales contraintes technologiques se situent au niveau des premiers étages de la turbine de détente (turbine primaire), qui sont soumis au flux des gaz d'échappement à très haute température.

Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et, de plus, particulièrement sensibles à l'abrasion. Il importe donc d'utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former des acides), et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages. Les matériaux utilisés pour les aubages de la turbine sont des alliages réfractaires à base de nickel ou de cobalt, mais on recourt aussi maintenant à des céramiques.

Comme le rendement du cycle est lui-même une fonction croissante de la température, d'importants développements technologiques ont été consacrés à la mise au point, d'une part de systèmes de refroidissement efficaces des aubages, et d'autre part de matériaux résistant aux températures élevées. Depuis un demi-siècle, on a ainsi pu relever progressivement (d'environ 20 °C par an) le niveau de température d'entrée dans la turbine, pour atteindre aujourd'hui 1.300 à 1.500 °C.

C’est probablement le turbocompresseur de suralimentation des moteurs d’avions inventé par Auguste RATEAU durant la « grande guerre » de 1914-1918, qui est la première application d’une turbine à gaz. Il s’agissait déjà d’une première forme de «cogénération» que nous évoquerons plus loin. Le turbocompresseur récupère en effet la grande quantité d’énergie «gaspillée» dans les gaz d’échappement des moteurs à pistons, pour entraîner un compresseur centrifuge destiné à gaver d’air sous pression l’admission de ces moteurs. L’air ainsi comprimé renferme plus de molécules dans un volume donné que lorsqu’il est admis à pression atmosphérique. Il suffit de faire entrer plus de carburant pour obtenir une quantité de mélange combustible plus importante et d’en tirer plus de puissance. Plus le moteur est sollicité, plus la pression des gaz d’échappement augmente et par conséquence, plus la pression de suralimentation est élevée.

Les turbines à gaz sont des moteurs thermodynamiques utilisant un écoulement constant d’un gaz (surtout de l’air), qui est comprimé et brûlé avec un combustible gazeux ou liquide. L’expansion de ce mélange à haute pression à travers une chambre à turbine produit une poussée qui propulse les aéronefs s’il s’agit d’un moteur à réaction, ou qui actionne un arbre pour la propulsion marine ou pour la production d’énergie dans des installations fixes (veuillez noter que, quel que soit le combustible utilisé, on utilise l’expression générique «turbine à gaz»). L’une des caractéristiques uniques de ces unités est la chaleur considérable contenue dans les gaz d’échappement (700° à 800° C), dont on peut récupérer l’énergie pour d’autres applications comme la cogénération ou la CEC.

En gros, on peut classer les turbines à gaz en deux catégories :

• Les turbines utilisant des gaz en provenance de chambres de combustion externes, telles celles des turbocompresseur de suralimentation et celles utilisant des générateurs de gaz à pistons libres du type «Pescara» ;
• Les turbines à gaz «pures», comportant en ligne un compresseur d’air, qu’il soit axial ou centrifuge, une chambre de combustion et un ou deux étages de turbines fonctionnant à haute température.

Les installations à turbine à gaz qui brûlent du gaz naturel sont l’un des types les moins polluants de centrales électriques à combustible fossile. Elles ne produisent que peu ou pas de dioxyde de soufre (SO2) ou de monoxyde de carbone (CO). Leur forte efficacité d’ensemble peut contribuer à diminuer les émissions de dioxyde de carbone (CO2) par unité d'énergie produite. Il y a environ 1000 installations fixes de ce type au Canada, qu’on utilise surtout pour la compression des gaz dans les pipelines et pour la production d’énergie électrique d’appoint, ainsi que dans des systèmes de cogénération ou de CEC. Les unités en service vers la fin de 2005 étaient des unités du type aviation ou industrielles, pour un total de 14.000 MW.

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Dernière édition par BONNERUE Daniel le Mar 26 Aoû 2008 - 11:06, édité 3 fois



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Message par Medaerts Lun 25 Aoû 2008 - 17:59

Quelle présentation !

Merci pour ces informations soutenues par des animations très claires.

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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 18:02

Merci à tous les copains qui interviennent dans ce post et particulièrement à Jean VEILLON qui apporte des informations supplémentaires. Effectivement j'étais "contraint" d'employer des termes qui n'évoquent pas grand chose aux non-spécialistes. Le but de cette présentation étant de montrer à ceux qui ne se sont pas "épanouis" dans le service "Machines", comment fonctionne le système de propulsion de nos fiers navires.


Dernière édition par BONNERUE Daniel le Dim 14 Sep 2008 - 12:22, édité 1 fois



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Message par BONNERUE Daniel Lun 25 Aoû 2008 - 18:17

Pour en terminer avec cette présentation, je vais évoquer la "cogénération". Il s'agit des installations permettant d'augmenter l'efficacité, donc le rendement des turbines à gaz qui n'est pas "fameux" (30 % dans le meilleur des cas) lorsqu'on les emploie seules. Ils s'agit de récupérer les pratiquement 70 % d'énergie qui autrement seraient perdus dans les gaz d'échappement.

La disponibilité de gaz naturel abondant et à prix compétitif favorise le choix de turbines à gaz à cycles combinés pour la production d’électricité. Utilisés avec des turbines à vapeur, ces appareils peuvent jouer un rôle important dans le réaménagement d’anciennes centrales thermiques à vapeur. S’ils sont situés à proximité d’un gros complexe industriel qui a besoin de vapeur pour ses procédés ou pour le chauffage des bâtiments, les systèmes de CEC (Chaleur et Energie Combinées) utilisés pour la cogénération et comme systèmes énergétiques collectifs devraient permettre de réaliser des économies additionnelles. Ces types de systèmes, qui utilisent des combustibles plus propres comme le gaz naturel ou la biomasse, peuvent jouer un rôle important dans la lutte contre la pollution atmosphérique et les changements climatiques mondiaux.

La plupart des applications industrielles alimentées par combustibles fossiles ne produisent que de l’énergie thermique (chaleur). Ces applications comptent pour 30% de notre consommation de combustibles fossiles. En outre, le cinquième de notre électricité provient de la combustion de combustibles fossiles dans une centrale à vapeur optimisée pour la production d’électricité seulement. Dans ces centrales, l’essentiel de l’énergie obtenue du carburant se perd en chaleur résiduelle dans l’atmosphère ou dans l’eau de refroidissement. Ces systèmes à produit énergétique unique, qui génèrent seulement de la chaleur ou seulement de l’électricité, gaspillent beaucoup d’énergie.

Les installations de chaleur et d’énergie combinées (CEC), qui fonctionnent avec des turbines à gaz, des moteurs à pistons, des chaudières industrielles ou des piles à combustible, permettent de nettes améliorations en matière d’efficacité énergétique, car elles font divers produits énergétiques à partir du même carburant et du même processus de combustion. Ces produits énergétiques sont notamment l’électricité, la puissance mécanique, la vapeur industrielle, l’eau chaude et la réfrigération. Parmi les avantages constatés, on trouve des économies de carburant de l’ordre de 30 à 40%, des réductions équivalentes des émissions associées au smog et au changement climatique, et des réductions des rejets par les climatiseurs de chlorofluorocarbures (CFC) appauvrissant la couche d’ozone. Les installations de CEC peuvent également contribuer à une meilleure répartition de la production d’électricité, ce qui se traduit par un meilleur approvisionnement énergétique et de moindres pertes sur les lignes de transport.

Siemens a atteint le record mondial du rendement avec ses turbines à gaz. En utilisant une telle turbine dans une centrale à gaz ou à vapeur, le rendement doit augmenter de 2%, atteignant plus de 60%. Cette augmentation permet, en plus de réaliser des économies, de réduire les émissions de CO2 de 40.000 tonnes par an, ce qui correspond aux gaz d'échappement émis par 10.000 Golf Volkswagen parcourant 20.000 km par an.

Cette performance a pu être atteinte en travaillant à haute température, en mettant au point un système de refroidissement plus efficace et en optimisant le cycle vapeur-eau. La température sur la première aube de la turbine est supérieure à 1.500°C, ce qui est proche de la température de fusion du fer. Siemens a donc développé des matériaux d'aube permettant d'atteindre des températures importantes, ainsi que des nouvelles technologies de brûleur et de chaudière.

Une seule des 250 aubes doit procurer la même puissance qu'une voiture de sport et supporter une force centrifuge qui représente 10.000 fois son poids. C'est pourquoi elles sont construites avec des alliages monocristallins associés à une fine couche de céramique. De plus, un nouveau compresseur permet de réduire les pertes dans la turbine, avec des formes d'aubes innovantes et de nouvelles technologies de compression. Enfin, la nouvelle turbine à gaz est très flexible, son temps de démarrage étant plus court et permettant des modifications de dernière minute. Cette performance est liée au fait que le refroidissement utilise de l'air, disponible en permanence, et non de la vapeur comme habituellement.

Siemens construit actuellement pour l'entreprise d'électricité E.ON Energie une centrale de turbine à gaz de 340 MW, près d'Ingolstadt en Bavière. Cette installation est en fonctionnement depuis 2007. Après la phase test, la turbine à gaz doit être associée à une turbine à vapeur (cogénération), pour une puissance de 530 MW, ce qui correspond aux besoins en électricité de la ville de Hambourg. La turbine est pour l'instant adaptée aux marchés asiatique et européen, avec une fréquence de 50 Hz, mais une turbine procurant de l'électricité à 60 Hz devrait être disponible dès 2010.

Spoiler:


Voila chers camarades un exposé qui permettra aux non-mécaniciens d’avoir une idée plus précise sur la manière dont sont propulsés les fiers navires sur lesquels ils ont eu le «privilège» d’embarquer. Comme à l’accoutumée, j’espère en simplifiant le plus possible les descriptions, avoir rendu la lecture des informations moins rébarbative, puis en illustrant le texte de quelques dessins explicites et d’animations simples et compréhensibles. A vous de juger maintenant !...


Dernière édition par BONNERUE Daniel le Jeu 23 Oct 2008 - 14:47, édité 2 fois



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Message par Laurent Lun 25 Aoû 2008 - 21:33

à propos de Watt, une émission sur ce grand homme a été diffusée ces temps-ci.
Me rappelle déjà plus de la chaîne, je crois que c'était sur la 5.



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Va petit mousse, ou le vent te pousse.
Bon vent matelot

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Message par Jean Veillon Lun 25 Aoû 2008 - 23:13

Et pour completer ce que nous explique l'ami Bonnerue, je vous propose les photos d'une turbine à gaz (Olympus me semble-t-il) qui equipe nos corvettes (CODOG je crois). et un petit turbo-reacteur dont je ne me rappelle pas le nom ( Astazou? Marborée?) Nos copains mécanos de l'Aéro vont sûrement nous le dire.....
Ces maquettes sont utilisées au G.E.M pour l'instruction. Dans le fond, vous noterez la présence d'une chaudière type "dissymetrique" qui jadis appartenait au "Chevalier Paul"

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à partir de l'avant vers l'arrière, vous reconnaîtrez les éléments cités par l'ami Bonnerue.

dans l'ogive, le micromoteur de démarrage, puis les compresseurs BP et HP avec leurs redresseurs, ensuite les chambres de combustion la turbine de puissance et l'échappement.

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Coupe d'un turbo-réacteur de faible puissance. Là encore les éléments cités sont parfaitement reconnaissables

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Message par BONNERUE Daniel Mar 26 Aoû 2008 - 16:03

Un "observateur" du forum m'a demandé par courriel d'être plus explicite concernant mon interprétation personnelle du supposé propulseur de Denis PAPIN. Voici donc le détail du fonctionnement :

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1 • une chaudière "primitive" (un réservoir en cuivre en forme de cornue) chauffe de l'eau et produit de la vapeur. Pour la protéger d'une explosion accidentelle, elle est équipée d'une soupape de sûreté (3).

Nota : j'ai fait fonctionner la soupape de sûreté durant la purge du cylindre, car la pression de la vapeur produite dans la chaudière monte, faute d'une autre échappatoire.

2 • un robinet de manœuvre à trois voies et à commande manuelle, assure soit le départ de la vapeur vers le cylindre moteur pour faire monter le piston vers le point mort haut, soit la purge du cylindre moteur pour permettre le retour du piston au point mort bas.

3 • dans le cylindre (en cuivre), ouvert dans sa partie supérieure, circule un piston libre, c'est à dire sans tige de commande. La face inférieure du piston reçoit la poussée engendrée par la vapeur d'eau sous pression, alors que la face supérieure est en contact avec l'eau pompée.

4 • l'eau aspirée lorsque le piston descend, ouvre le clapet d'aspiration (1), puis remplit la partie supérieure du cylindre. Durant l'aspiration, le clapet de refoulement (2) est fermé.

Nota : la descente du piston est liée à trois effets simultanés :
• la purge (manuelle) du cylindre qui fait chuter la pression de vapeur et la condensation dans le fond du cylindre de la vapeur résiduelle. Le fond du cylindre étant en contact avec l'eau froide extérieure. ;
• la masse d'eau stockée au-dessus du piston ;
• la masse du piston sur laquelle agit la force de gravité terrestre.

5 • lorsque le robinet de manœuvre, commandé manuellement, admet la vapeur dans la partie inférieure du cylindre, le piston en montant vers le point mort haut refoule l'eau qui a été aspirée. La pression exercée sur l'eau ferme le clapet d'aspiration (1) et ouvre le clapet de refoulement (2). L'eau se déverse alors dans le réservoir supérieur de stockage.

6 • pendant ce temps, l'eau contenue dans le réservoir de stockage se déverse dans les auges de la roue à godets. La masse de l'eau contenue temporairement dans chaque godet, multipliée par le bras de levier dont la longueur est celle du rayon de la roue, engendre un couple moteur qui provoque la rotation de la roue à godets et par association, celle des deux roues à aubes propulsives de l'embarcation, puisqu'elles sont clavetées sur le même arbre.

Tant que les godets sont alimentés, la rotation est continue, mais toujours dans le même sens. Il n'y a donc aucune possibilité d'inversion de marche.

J'espère que cette description est suffisamment claire pour être bien comprise.


Dernière édition par BONNERUE Daniel le Ven 8 Jan 2010 - 16:38, édité 3 fois



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Message par BONNERUE Daniel Mer 27 Aoû 2008 - 17:46

Il m'a été demandé comment je procédais pour représenter dans mes dessins les turbines avec leurs ailettes. Je suis tout disposé à le faire, mais je ne sais pas dans quelle rubrique insérer le post.

Je me demandais par quel moyen des personnes qui ne consultent pas directement le forum pouvait prendre connaissance des informations que nous publions. Après m'être informé, j'ai la réponse :
Il suffit de faire une recherche sur un sujet donné (exemple : "Turbine de propulsion pour les navires" ou "Propulsion nucléaire") par l'intermédiaire de différents moteurs de recherche (c'est GOOGLE qui est le plus cité) et on obtient un certain nombre de réponses, parmi lesquelles le traitement du sujet dans "Anciens Cols Bleus et Pompons Rouges" apparait ; ce n'est pas plus compliqué...



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Message par Bernard ( nanar ) Mer 27 Aoû 2008 - 18:07

Merci Daniel c'est toujours un plaisir de te lire



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Amitiés Bernard GEORGE

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Message par collo Mer 27 Aoû 2008 - 20:54

Et pourtant elle tourne ....



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Bon à rien mais prêt à tout !!!  
Pas de médailles, mais de la place pour en mettre..

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Message par Lagier Michel Mer 27 Aoû 2008 - 23:37

oups je suis pas mecano mais la chapeau , un cour magistral ...
et des illustrations de hauts niveaux ...



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Message par byu30 Mer 27 Aoû 2008 - 23:50

Pour Daniel (Bonnerue) tape ne serait-ce que ton nom et ton prénom(Bonnerue Daniel) sur Google(si c'est pas déjà fait) et tu riques d'être surpris !!!!![Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]



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Message par Jean Veillon Jeu 28 Aoû 2008 - 0:59

Rien à voir avec les turbines, mais en allant sur Goggle avec son nom, on peut effectivement être trés surpris :affraid: :affraid: :affraid:

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Message par BONNERUE Daniel Jeu 28 Aoû 2008 - 17:09

Effectivement, j'ai laissé quelques traces sur Internet. Déjà lorsque je travaillais au Commissariat à l'Energie Atomique. J'ai aussi fourni des photos et cartes géographiques pour des copains ayant mis sur la toile des sites consacrés à certains de nos anciens bâtiments, notamment à notre ami JYM pour son magnifique site concernant les escorteurs rapides. Puis j'ai été "contributeur" pour l'encyclopédie en ligne Wikipédia sur laquelle j'ai rédigé et/ou illustré quelques articles. J'ai fini par abandonner, car certains "administrateurs" mettaient en doute "ma paternité" concernant des dessins et des animations et les ont effacées. Alors, à quoi bon se décarcasser bénévolement...



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Message par JBY Jeu 7 Jan 2010 - 22:41

Merci pour toutes ces explications très précises concernant le fonctionnement des turbines a vapeur.Les modestes souvenirs que j'en garde ne me permettait pas de tout mettre dans l'ordre.Il est vrai qu'en une année de service militaire il est bien difficile de comprendre l'intégralité de la cynématique d'une chaufferie de marine.Sans explications il y a déja beaucoup de termes barbares qu'il faut assimiler pour ne pas être trop perdu.L'epm sur les escorteurs rapide qui devient tpm sur les T 47,la bache,le fameux by-pass du 22bis,le vase clos,la tpa,le collecteur supérieur,les bouilleurs etc etc.
Par contre l'animation qui régnait a la chaufferie pendant les brusques changements d'allure reste en moi un souvenir inaltérable. 45 bas les feux 35,et on compense avec l'injection de mazout,attention a ne pas trop faire monter la pression et faire peter la soupape,surtout la nuit(caisse de bière a payer a tout le monde)Attention a ne pas perdre trop de pression difficile a rattraper.Je suis sur qu'aujourdhui les marins qui sont de quart a la propulsion des nouvelles frégates Horizon ou fremm doivent beaucoup plus s'ennuyer dérrière leurs consoles informatisées.

Et quel plaisir que de se retrouver sur la plage arrière d'un T47 en essai a pmp filant 32 noeuds et pouvoir palper les 63000 chevaux transmises aux hélices,quel sillage,quelle puissance.Il est vrai qu'a cette vitesse les quatre chaudières dévoraient environ 23 tonnes de mazout a l'heure.Ce n'était pas très "vert".Mais bon,on ne pas tout avoir!!!


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