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INTRODUCTION

Turbine à vapeur Une turbine à vapeur est une machine qui extrait l'énergie thermique de la vapeur sous pression et l'utilise pour produire un travail mécanique de rotation de l'arbre de sortie. La version moderne fut inventée par Sir Charles Parsons en 1884 . Parce que la turbine génère un mouvement de rotation, elle est particulièrement bien adaptée pour entraîner un générateur électrique environ 90 % de la production d'électricité aux États-Unis (1996) était faite en utilisant des turbines à vapeur. La turbine à vapeur est une forme de machine thermique qui doit une grande partie de l'amélioration de son efficacité thermodynamique à l'utilisation de plusieurs étages dans l'expansion de la vapeur, ce qui se traduit par un résultat proche du processus de détente réversible idéale.

Définition: La turbine à vapeur est un moteur thermique rotatif qui convertit l’énergie d’un courant devapeur d’eau ou en énergie mécanique. Plus généralement c’est un organe qui permet ladétente d’un fluide en transformant son énergie sous forme mécanique

Historique: La turbine à vapeur est le fruit du travail de nombreux chercheurs et ingénieurs, à la fin du XIX siècle. Parmi les contributions notoires au développement de ce type de turbine, on peut mentionner celle du Britannique Charles Algernon Parsons et celles du Suédois Carl Gustav Parsons fut à l’origine du principe de la séparation des étages, selon lequel la vapeur se dilate dans un certain nombre d’étages, produisant à chaque fois de l’énergie. De Laval fut le premier à concevoir des jets et des augets adaptés à une utilisation efficace de la vapeur en expansion Différents catégories des turbines : :

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Les turbines sont classées selon leur mode de fonctionnement ainsi qu’a leurs modes de constructions. On distingue trois grandes catégories de turbines :   

turbines hydrauliques ou à eau. turbines à gaz. turbines à vapeur .Dans cette étude, on se limite à l’étude des turbines à vapeur.

Description de la turbine à vapeur : La turbine à vapeur comprend une partie fixe appelée stator qui porte des aubages directeurs .La vapeur en provenance de l’évaporateur est admise dans un collecteur. Elle s’écoule ensuite dans des canaux fixes (c’est là où l’énergie thermique se transforme en énergie cinétique) et dans des canaux mobiles (les énergies thermiques et cinétiques sont transformées en énergie mécanique). Les canaux fixes et mobiles se succèdent les uns à la suite des autres dans le sens de l’écoulement. La vapeur en provenance du générateur de vapeur est introduite dans les premiers étages de la turbine à travers des vannes d’admission et des soupapes de réglage asservies aux dispositifs de sécurité et de réglage de la turbine. La vapeur est détendue adiabatiquement en produisant un travail mécanique .La détente de la vapeur à travers les divers étages de la turbine se fait de façon différente selon qu’ils’ agisse de turbines à action ou à réaction.

Principe de fonctionnement : Bien que les turbines à vapeur soient construites selon deux configurations différentes (à action ou à réaction), leurs éléments essentiels sont similaires. Elles se composent de tuyères ou de jets, et d’ailettes (aubes). La vapeur s’écoule dans les tuyères, dans lesquelles elle se dilate, ainsi, sa température diminue et son énergie cinétique augmente. La vapeur en mouvement exerce une pression contre les aubes, entraînant leur rotation. La disposition des jets et des aubes, fixes dépend du type de turbine. À la sortie du dernier condenseur, l’eau peut être de nouveau vaporisée et surchauffée, l’eau ou la vapeur récupérée en sortie est ramenée vers la chaudière par des pompes .La turbine à vapeur utilise les principes de la thermodynamique, lorsque la vapeur se dilate, sa température et donc son énergie interne diminuent. Cette diminution de l’énergie internes’ accompagne d’une augmentation de l’énergie cinétique sous forme d’une accélération des particules de vapeur (une réduction de 100 kJ de l’énergie interne, due à la dilatation, peut provoquer un accroissement de la vitesse des particules de vapeur de l’ordre de 2 800 km/h), à de telles vitesses, l’énergie disponible est très importante. Lorsque la pression de la vapeur d’eau en sortie de la turbine est égale à la pression atmosphérique, la turbine est dite à condensation .Aujourd’hui, les turbines à vapeur sont généralement limitées à une température maximale de580 °C dans le premier étage, et à une pression maximale d’admission de 170 à 180 bars

Différents types de turbines à vapeur En fonction de leur utilisation, on distingue quatre grandes catégories de turbines à vapeur : 

Les turbines à condensation

Dans les quelles la vapeur est complètement détendue jusqu'à une pression voisine de 0,02à 0,04 bar, puis liquéfiée dans un condenseur refroidi soit par l'air ambiant, soit par de l'eau. Ce type de turbine est surtout utilisé dans les installations de production de force motrice. La pression de sortie de la vapeur étant basse, ce qui fait apparaître des condensats dans la turbine qu’il faut évacuer par le biais de purgeur. Le rendement global est de l’ordre de30%

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Les turbines à contre-pression:

Dans les quelles la vapeur est détendue de la pression HP (> 40 bars) jusqu'à une pression BP (de l'ordre de 4bars). Ce type de turbine permet de produire de la puissance mécanique ou de l'électricité grâce aux hautes températures et pressions que l'on peut obtenir dans un chaudière. Dans ce type de turbine, la vapeur reste strictement en phase gazeuse, après détente, l’intérêt est de délivrer de la vapeur à un niveau enthalpique suffisant pour qu’elle soit utilisable (exemple : séchage). L’inconvénient de ce type de turbines c’est

qu’avec une pression de sortie de 3 bars, il est difficile d’atteindre un rendement thermodynamique supérieur à 18 %. Les turbines à soutirage et condensation : Dans les quelles la vapeur subit une détente partielle jusqu’ à une moyenne pression(environ 20 bars) dans un corps haute pression. Ensuite une partie est dirigée vers un réseaud ’ utilisation, tandis que le reste de la vapeur est détendu dans un corps basse pression, comme dans une turbine à condensation. Ce type de turbine trouve un champ d’application important dans les usines de cogénération dont les demandes de chaleur sont susceptibles de varier fortement au cours du temps

Les turbines à soutirage et contre-pression : la seule différence par rapport à la précédente, est que la vapeur d’eau s’échappe àbasse pression dans un réseau BP au lieu d’être condensée.

Fabrication : L'industrie actuelle de fabrication de turbines à vapeur est dominée par les fabricants Chinois d'équipements électriques. Harbin Electric, Shanghai Electric et Dong fang Electric, les trois principaux fabricants d'équipements électriques en Chine, détenant collectivement une part majoritaire dans le marché mondial des turbines à vapeur en 2009-10, suivant Platts. D'autres fabricants, avec des parts de marché minoritaires, sont Bhel, Siemens, Alstom, GE, Doosan Škoda Power, Mitsubishi Heavy Industries, et Toshiba. Le cabinet de conseil Frost & Sullivan projette que la fabrication des turbines à vapeur sera consolidée d'ici à 2020, les fabricants Chinois emportant de plus en plus de marchés à l'extérieur de la Chine.

Types : Les turbines à vapeur sont produites dans une grande variété de tailles, allant de petites unités