Turbine Radiale - Wikipedia PDF [PDF]

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Turbine radiale Une turbine radiale est une turbine dans laquelle l'écoulement du fluide de travail est radial à l'arbre. La différence entre les turbines axiales et radiales réside dans la façon dont le fluide circule dans les composants (compresseur et turbine). Alors que pour une turbine axiale le rotor est «impacté» par le flux de fluide, pour une turbine radiale, le flux est orienté en douceur perpendiculairement à l'axe de rotation, et entraîne la turbine de la

même manière que l'eau entraîne un moulin à eau. Le résultat est moins de contrainte mécanique (et moins de contrainte thermique, dans le cas de fluides de travail à chaud) qui permet à une turbine radiale d'être plus simple, plus robuste et plus efficace (dans une plage de puissance similaire) par rapport aux turbines axiales. En ce qui concerne les gammes de puissances élevées (supérieures à 5 MW ), la turbine radiale n'est plus compétitive (en raison d'un rotor lourd et coûteux) et le rendement devient similaire à celui des turbines axiales.

Turbine radiale

Avantages et défis Par rapport à une turbine à flux axial , une turbine radiale peut utiliser un rapport de pression relativement plus élevé (≈4) par étage avec des débits plus faibles. Ainsi, ces machines tombent dans les plages de vitesse et de puissance spécifiques inférieures. Pour les applications à haute température, le refroidissement des pales du rotor dans les étages radiaux

n'est pas aussi facile que dans les étages à turbine axiale. Les lames de buses à angle variable peuvent donner des rendements plus élevés dans un étage de turbine radiale, même en fonctionnement hors-conception. Dans la famille des hydroliennes, la turbine Francis est une turbine IFR très connue qui génère une puissance beaucoup plus importante avec une turbine relativement grande.

Composants des turbines radiales

Quatre-vingt-dix degrés étape de turbine radiale vers l'intérieur

Triangles de vitesse pour un étage de turbine radial (IFR) entrant avec des pales en porte-à-faux

p

p

Les composantes radiale et tangentielle de la vitesse absolue c sont c 2

r2

et c

q2

,

respectivement. La vitesse relative de l'écoulement et la vitesse périphérique du rotor sont w et u respectivement. 2

2

L'angle d'air à l'entrée de la pale de rotor est donné par

Enthalpie et diagramme d'entropie L'état de stagnation du gaz à l'entrée de la buse est représenté par le point 01. Le gaz se dilate adiabatiquement dans les

buses d'une pression p à p avec une 1

2

augmentation de sa vitesse de c à c . 1

2

Comme il s'agit d'un processus de transformation d'énergie, l'enthalpie de stagnation reste constante mais la pression de stagnation diminue (p 02

01

>p

) en raison des pertes. Le transfert

d'énergie accompagné d'un processus de transformation d'énergie se produit dans le rotor.

Diagramme enthalpie-entropie pour l'écoulement à travers un étage de turbine IFR

Vitesse de jaillissement Une vitesse de référence (c ) connue 0

comme la vitesse isentropique, la vitesse de jaillissement ou la vitesse terminale est définie comme la vitesse qui sera

obtenue lors d'une détente isentropique du gaz entre les pressions d'entrée et de sortie de la platine.

Stage Efficiency L' efficacité totale-à-statique est basée sur cette valeur de travail.

Degré de réaction

La pression relative ou la chute d'enthalpie dans la buse et les pales du rotor sont déterminées par le degré de réaction de la platine. Ceci est défini par R=

Les deux quantités entre parenthèses dans le numérateur peuvent avoir les mêmes signes ou des signes opposés. Ceci, en plus d'autres facteurs, régirait également la valeur de la réaction. La réaction de l'étage diminue à mesure que C

θ2

augmente, car il en résulte qu'une

grande partie de la chute d'enthalpie de

l'étage se produit dans l'anneau de la buse.

Variation du degré de réaction avec le coefficient de débit et l'angle d'air à l'entrée du rotor

Pertes d'étape La mise en scène est inférieure à la chute d'enthalpie du stade isentropique en raison des pertes aérodynamiques dans

l'étage. Le rendement réel à l'arbre de la turbine est égal au travail de l'étage moins les pertes dues au disque du rotor et au frottement du palier. (a) pertes de friction et de séparation de la peau dans la spirale et la bague de la buse Ils dépendent de la géométrie et du coefficient de friction de la peau de ces composants. (b) Pertes de frottement et de séparation de la peau dans les canaux des aubes de rotor Ces pertes sont également régies par la géométrie du canal, le coefficient de frottement de la peau

et le rapport des vitesses relatives w 3

/ w . Dans l'étage de turbine IFR à 2

quatre-vingt-dix degrés, les pertes se produisant dans les sections radiales et axiales du rotor sont parfois considérées séparément. (c) Les pertes de friction et de séparation de la peau dans le diffuseur Ceux-ci sont principalement régis par la géométrie du diffuseur et le taux de diffusion. (d) Pertes secondaires Ceux-ci sont dus aux écoulements circulatoires se développant dans les différents passages d'écoulement et sont principalement

régis par la charge aérodynamique des pales. Les principaux paramètres régissant ces pertes sont b / d , d / d et le rapport 2

2

3

2

moyeu-embout à la sortie du rotor. e) Pertes de choc ou d'incidence En fonctionnement hors conception, il y a des pertes supplémentaires dans la buse et les couronnes des pales du rotor en raison de l'incidence sur les bords d'attaque des pales. Cette perte est classiquement appelée perte de choc bien qu'elle n'ait rien à voir avec les ondes de choc. (f) Perte de clairance de l'extrémité

Cela est dû à l'écoulement sur les extrémités des pales du rotor qui ne contribue pas au transfert d'énergie.

Pertes dans le rotor d'une turbine IFR

Rapport de la lame à la vitesse du gaz Le rapport entre la vitesse de la lame et celle du gaz peut être exprimé en

fonction de la vitesse terminale de l'étage isentropique c . 0

o

    pour β = 90 σ = 0,707 2

s

Variation de l'efficacité d'une turbine IFR avec rapport de la vitesse de la lame à l'isentrope

Phases radial vers l' extérieur d'écoulement Dans les étages de turbine radiale à écoulement vers l'extérieur, le flux de gaz ou de vapeur se produit de plus petits à plus grands diamètres. La scène se compose d'une paire de lames fixes et mobiles. La zone de plus en plus grande de section transversale à des diamètres plus grands accueille le gaz en expansion. Cette configuration n'est pas devenue populaire avec les turbines à vapeur et à gaz. La seule qui est employée plus communément est la turbine de type à double rotation de Ljungstrom . Il se

compose d'anneaux de lames en porte-àfaux faisant saillie à partir de deux disques tournant dans des directions opposées. La vitesse périphérique relative des lames dans deux rangées adjacentes, l'une par rapport à l'autre, est élevée. Cela donne une valeur plus élevée de chute d'enthalpie par étape.

Bladeless radial Turbine Nikola Tesla Au début des années 1900, Nikola Tesla a développé et breveté sa turbine Tesla sans lame . L'une des difficultés rencontrées avec les turbines à aubes réside dans les exigences complexes et