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Thermodynamique et mécanique appliquées Travail n02 Sommaire 1. Principe général du fonctionnement d’une turbine 1 Fonctionnement du piston 2 Cycle de Rankine-Hirn3 Amélioration du cycle de Rankine 5 Schéma de la turbine à vapeur 6 2. Relations mathématiques applicables aux turbines 8 3. Les différents types de turbines 8 La turbine à vapeur8 La turbine hydrauli Les turbines Pelto OF Les turbines Franci 11 p g Les turbines Kapla Les turbines Banki La turbine à gaz de combustion 14 Explication de la turbine à gaz de combustion simple 14 La centrale TGV 15 La turbine à air 16 4.

Turbines utilisées dans les centrales hydroélectriques de grande puissance 17 5. Centrales belges en fonctionnement 17 6. Petites turbines et caractéristiques particulières 17 1. Principe général du fonctionnement d’une turbine Une turbine est :  » Une turbine est un dispositif rotatif destiné combustion La turbine à air Même si il existe différents types de turbines, la turbine la plus connue et la plus utilisée reste la turbine à vapeur. Nous détaillerons les autres turbines dans la suite de notre travail. L’inventeur de la turbine à vapeur est Charles Algernon Parson en 1887.

Figure 1 : Première turbine à vapeur La turbine à vapeur transforme la vitesse de la vapeur donc l’énergie cinétique en mouvement rotationnel. Fonctionnement du piston Pour comprendre le fonctionnement de la turbine à vapeur, il faut bien le distinguer du fonctionnement de la machine à piston. Dans une machine à piston, le travail fourni est égal à la variation du volume des gaz qui produit directement un déplacement. Si nous regardons un diagramme de Clapeyron, qui est un diagramme de Pression sur Volume, on peut voir que la surface et donc Px V est égal au travail.

Rappelons premièrement les conventions que nous suivront : Travail effectué par le syst mbiance est + 3 Hirn est le cycle qui va régir le fonctionnement d’une turbine à vapeur. La turbine est en fait un composant des centrales électriques fonctionnant à la vapeur et cette turbine n’intervient que dans une partie du cycle. Dans le cycle de Rankine, on utilise de l’eau en circuit fermé. Les pertes de charges de cette eau sont considérées comme négligeable. Détaillons ensemble ce cycle: IQ .

On a de l’eau liquide que l’on fait passer dans un compresseur que l’on appelle une pompe car c’est du liquide, que l’on va amener jusqu’a la pression souhaitée. On peut distinguer sur le diagramme que nous sonnes donc passer sur une autre isobare. 2-3 : Il y a un apport de chaleur extérieur la plupart du temps grâce à une chaudière à combustion en suivant la courbe des isobares. 3-4 : Il y a changement d’état et donc évaporation en suivant l’isobare pour arriver sous forme de vapeur saturée au point 4. -5 : On surchauffe la vapeur pour que la détente ne se finisse pas avec un titre vapeur et donc avec du liquide dedans. Cette surchauffe c’effectue toujours selon l’isobare. 5-6 : Cette droite s’effectue dans le cas théorique et idéal, c’est ne détente adiabatique réversible. On sait cependant que la réversibilité n’existe pas. 5-6′ : On aura cette droite car ce sera une détente adiabatique réelle et pas réversible. On pourra estimer qu’on a une perte de – Cest dans cette partie du cycle que la turbine entre en jeu.

On envoie la vapeur sur les aubages du rotor, on aura donc de l’énergie mécanique qui fera tourner l’axe du rotor. 6-1 30F 13 aubages du rotor, on aura donc de l’énergie mécanique qui fera tourner l’axe du rotor. • Il y aura condensation pour récupérer de l’eau liquide et continuer le cycle. Ce cycle est utilisé dans beaucoup d’endroit quelle que soit la source de chaleur. On peut l’utiliser dans le cas où lion incinère des déchets, on récupère la chaleur pour chauffer l’eau et en faire de l’électricité. Dans ce cas-ci, la source de chaleur est la combustion.

On peut aussi avoir d’autres sources de chaleurs comme le nucléaire par exemple. Il est utile de dire que la plupart du temps, la chaleur perdue lors de la condensation n’est pas récupérée. On ne veut pas de gaz lors de ce cycle car le gaz à une inertie thermique beaucoup plus faible que l’eau. ‘est pour cette raison que l’on ne veut pas de gaz dans les radiateurs par exemple. On pourra descendre plus bas en température et en pression en hiver car le condenseur se situe à température ambiante et cette température sera plus basse en hiver.

Amélioration du cycle de Rankine Si on arrive pas à surchauffer assez, on pourrait se retrouver avec un mélange eau vapeur en fin de détente. Cette eau serait très néfaste pour notre turbine Cest pour cette raison que l’on a inventé la détente en 2 étapes. On utilise surtout ce phénomène pour les grosses machines. Il est utilisé pour les grosses machines car le volume avant la détente est beaucoup plu ui après détente. Il est 4 3 difficile de dimensionner les turbines avec un bon volume. Cest pour cela qu’on fera cette détente en 2 étapes: 1.

On surchauffe, arrivé à la limite de surchauffe on détend jusqu’à la courbe de saturation. 2. On resurchauffe la vapeur et on la re-détend. Cette resurchauffe peut se faire de 2 manières: On envoie l’eau vers une autre source de chaleur On resurchauffe en utilisant une partie de la vapeur initiale (+-10%). On ne détendra donc pas cette partie de la vapeur et on a laissera passer dans un robinet par laminage donc de manière isenthalpique. Cette vapeur sera donc plus chaude que celle détendue dans la 1ère turbine. On appellera cela un soutirage.

Cela permettre de ne pas devoir envoyer la vapeur trop loin pour la réchauffer. On aura donc 2 turbines : Une turbine basse pression, très grande car le débit volumique est très grand mais le débit massique reste le même. Une turbine haute pression, lus etite qui donnera beaucoup plus d’énergie. 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 et la conversion de l’énergie cinétique en rotation de la machine par le biais des aubages mobiles. . Relations mathématiques applicables aux turbines En ce qui concerne les relations mathématiques, c’est ? travers les turbines hydrauliques qu’elles sont le plus étudiées. Nous parlerons donc de turbines hydrauliques car l’eau est incompressible et on ne doit donc pas prendre ne compte la variation de volume dans nos calculs ce qui les rends beaucoup plus simples. 3. Les différents types de turbines Elles se classent en deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine Les turbines à action : La détente se fait uniquement dans les aubages fixes.

Elles sont adaptées aux étages à forte pression Leur construction est plus coûteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine. La plus connue est la turbine Pelton mieux expliquée dans les ara raphes suivants. 6 3 par la vapeur. En pratique la température est limitée à +- 5500C et le maximum est de 650 ‘C. La pression est de l’ordre de 180 bars. Les turbines de forte puissance comprennent généralement sur un même xe une turbine haute pression, Plusieurs turbines basse pression avec soutirage comme expliqué avant. A l’inverse, les petites turbines ont des puissances avoisinant les quelques kW.

Elles ne possèdent généralement qu’un seul étage. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptées à des usages industriels spécifiques (? soutirage, à contrepression, etc. ). Dans notre schéma, on peut voir notre turbine en tant que telle avec l’entrée du fluide à haute pression et la sortie de ce fluide à basse pression. On voit que le mouvement de rotation de la urbine entraine un alternateur qui va produire de l’électricité. différentes turbines hydraulique auront des puissances conditionnees en fonction des débits d’eau et des hauteurs de chutes.

Comme dans le cas de la turbine à vapeur, il y a les turbines ? actions et réactions. Ces deux turbines ont exactement le même fonctionnement que la turbine à vapeur. Tableau 1 : Les différentes turbines hydrauliques à action et ? réaction TYPE DE TURBINE CARACTÉRISTIQUES EXEMPLES DE TURBINE Turbine à impulsion ou à action. L’énergie de l’eau, à la sortie de l’injecteur, est sous forme cinétique. Turbine Pelton. Turbine Turgo. Turbine Banki-Michell. Turbine à réaction. ‘énergie de l’eau, à la sortie du distributeur, est à la fois sous forme de pression et d’énergie cinétique. Turbine Francis.

Turbine à hélice. Turbine Kaplan. Il en existe d’innombrables types en fonction de la hauteur de chute de l’eau et du débit. Tableau 2 : Les différentes turbines h drauliques B3 Les différentes turbines n’auront évidemment pas les mêmes puissances et donc les mêmes rendements. On choisira donc nos turbines en fonction de différentes conditions; la hauteur de chute d’eau possible qui sera conditionnée par le milieu dans equel nous voulons implanter notre centrale hydroélectrique mais aussi le débit d’eau disponible à cet endroit là et finalement le rendement que nous souhaitons avoir avec notre turbine.

Les turbines Pelton Elles sont très peu présentes dans notre pays car utilisées pour des centrales de hautes chutes. c’est une turbine à action avec un axe vertical ou horizontal. Celle-ci est composée d’une roue mobile garnie à sa périphérie d’augets en double cuillère et dont le distributeur est fait d’injecteurs ; leur nombre peut varier de 1 ? 6. Elle peut fournir jusqu’à 15 MW de puissance. Les turbines Francis Elles sont utilisées pour les moyennes chutes (de 30 à 400 m) et les débits moyens. La turbine Francis est une turbine à réaction de type radial à axe vertical. t est adaptée po rs et débits moyens. Son type axial à axe vertical dont la majeure particularité est qu’il est possible de régler l’angle d’inclinaison des pales de manière ? adapter le débit qui passe dans la turbine au débit de la rivière. Une variante de cette turbine est la turbine Bulb (une Kaplan ? axe horizontal). Les turbines Banki-Mitchell (Crossflow) Cette turbine est très simple et l’écoulement de l’eau se fait dans deu directions. L’eau est injectée sur un rotor cylindrique à axe horizontal.

Le rotor comporte une des aubes incurvées, fixes et parallèles ? l’axe de rotation, disposées sous la forme d’une « cage d’écureuil Il n’y a au maximum que trois pièces en mouvement : le rotor, les deux (ou un seul) volets de réglage du débit. La génératrice est une machine asynchrone triphasée reliée en parallèle au réseau basse tension. La turbine à gaz de combustion Explication de la turbine à gaz de combustion simple Une turbine à gaz est une machine tournante appartenant ? la famille des moteurs à c rne. Son rôle est de 0 3