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Une turbine minuscule : la turbine « électra »

Étienne Maigre, La Nature N°1884 - 3 Juillet 1909

Mis en ligne par Denis Blaizot le samedi 23 janvier 2010

La Nature a déjà décrit une turbine à vapeur gigantesque, de 12000 chevaux (N° 1855,12 déc. 1908) ; le faible encombrement des turbines, d’autant moindre, à proportion, que la puissance est plus grande, et la simplicité des organes en mouvement, poussent, en effet, les constructeurs à réaliser des unités aussi puissantes que possible. Par contre, il sembla que les types en faveur aujourd’hui se prêtent peu à la construction d’unités réduites, et qu’alors les avantages essentiels de la turbine disparaissent.

La nouvelle turbine, dite Electra, que nous allons décrire, présente un dispositif original qui lui permet précisément de s’adapter aux faibles puissances et de bénéficier encore des avantages indiqués ci-dessus : réduction de l’encombrement et du poids. Il existe des turbines Électra de 10 chevaux à peine et de dimensions minuscules.

Pour bien faire comprendre en quoi consiste leur mécanisme, il nous faut rappeler les principes essentiels du fonctionnement des turbines à vapeur. On sait que ces machines se partagent en deux grandes catégories :

Turbines à réaction, du système Parsons, où la vapeur arrive à demi détendue sur les aubages et agit à la fois par sa pression et sa vitesse.

Turbines à action, genre de Laval, où la vapeur arrive sur les aubages tout à fait détendue, animée d’une grande vitesse, de sorte qu’elle n’agit que par sa force vive.

Dans la turbine Parsons, une centaine de disques munis d’aubes sont calés sur le même axe. La vapeur est dirigée sur les aubes du premier disque par des contre-aubes d’un premier distributeur, passe dans le distributeur suivant qui la dirige sur le second disque, et ainsi de suite. Il y a donc une détente progressive, très rapide d’ailleurs (un cinquantième de seconde environ suffit pour le parcours total). L’arbre fait entre 10 000 et 50000 tours par minute, pour .une consommation de 15 kg de vapeur par cheval-heure. Le principal inconvénient. de l’appareil est dans le jeu qu’il faut laisser entre les parties fixes et les disques mobiles une certaine quantité de vapeur se rend donc d’un distributeur à l’autre sans traverser les aubes du disque intermédiaire. A ce défaut s’ajoute celui d’une usure rapide, qui rend l’étanchéité plus difficile encore à maintenir.

Dans la turbine de Laval. la vapeur, avant d’agir sur les aubes, se détend sans travailler dans une ou plusieurs tuyères. Ses molécules prennent ainsi une grande vitesse, et, comme les molécules d’eau dans les turbines hydrauliques , viennent frapper les aubes sous un angle très faible, de manière à perdre le moins possible de leur force vive. D’ailleurs le profil des aubes est calculé de telle sorte que, pour les parcourir, les molécules de vapeur doivent changer le sens de leur mouvement d’une façon presque complète ; elles sortent donc à peu près sans vitesse. Ici la vapeur n’agissant pas sous pression, le problème du maintien de l’étanchéité ne se pose plus. La vitesse des molécules de vapeur qui s’échappent sous pression dans l’air par un orifice étroit est considérable : elle atteint 1200 mètres à la seconde environ pour 10 atmosphères, la vapeur étant surchauffée à 250°, et la pression dans le condenseur s’élevant à 1/10 d’atmosphère. La vitesse de rotation de l’axe reste encore très élevée (de 7500 à 50000 tours par minute).

Mais à de telles allures, les effets de la force centrifuge sont à redouter. En outre, le moindre défaut de centrage occasionne des vibrations. D’où de grandes difficultés pour le constructeur. On a obtenu de bons résultats en employant un arbre flexible, qui protège les supports, pourvu que sa période propre de vibration dépasse de beaucoup le temps d’une révolution complète. Mais on a surtout cherché à construire des turbines à plusieurs étages de pression, dont chacun comportait à son tour plusieurs étages de vitesse, et autant de disques qu’il y avait de ces derniers. De là une complication assez grande, ne permettant d’établir que des turbines d’une puissance considérable (de 1000 chevaux au moins).

Nous arrivons maintenant au dispositif Électra imaginé depuis peu par M. Kolb, de Nancy, dispositif qui se prête aussi bien aux petites qu’aux grandes puissances (de 5 chevaux à 10000). Au-dessus de 50 chevaux il permet de réaliser une économie de vapeur sur les autres turbines, avec une vitesse de rotation ne dépassant pas 500 tours par minute.

La turbine est « simple » ou « compound » suivant que la puissance à réaliser est inférieure ou supérieure à 50 chevaux.

Dans le premier cas, la vapeur amenée par un tube d’admission pénètre dans deux tuyères. Elle s’y détend jusqu’à la pression du condenseur et vient agir sur les aubes d’une roue mobile ; elle détermine ainsi une rotation dont le sens est, sur la figure 1, celui des aiguilles d’une montre. On ne se contente pas de ce premier effet, car pour obtenir un bon rendement il faudrait alors que la roue eût une vitesse périphérique considérable, soit 400 mètres par seconde environ. Aussi, après avoir traversé les aubes, la vapeur arrive dans une pièce fixe, appelée clarinette, qui la ramène sur les aubes de la roue mobile. La vapeur les traverse donc une seconde fois ; elle est recueillie par une, deuxième clarinette, traverse une dernière fois les aubes et se rend au condenseur. On dit que la turbine comporte quatre chutes de vitesse, car la vitesse de la vapeur, au lieu de tomber d’un seul coup de 1200 mètres par seconde au chiffre juste suffisant pour l’arrivée au condenseur, diminue d’un quart à peu près à chaque traversée des aubes. De cette façon, la vitesse périphérique de la roue s’abaisse à 100 mètres par seconde, soit le quart de celle que nous avons indiquée comme vitesse minimum compatible avec un bon rendement dans une turbine à effet unique, — ce qui réduit beaucoup les difficultés de construction. — Puisque la vapeur arrive d’une façon continue et traverse quatre fois les aubes, il y a toujours à un instant donné quatre couples moteurs qui agissent de concert : aussi pour développer une puissance égale, la turbine Electra doit tourner seulement à une vitesse quatre fois moindre que celle d’une turbine ordinaire.

Pour les puissances supérieures à 50 chevaux, on emploie deux chutes de pression. L’appareil comporte alors deux roues mobiles montées sur le même arbre : la première fonctionne pour une détente de de 10 kg à 1,100 kg par cmq ; la seconde pour la détente de 1,100 kg a la pression dans le condenseur, soit 100 grammes par cmq. Chaque roue est traversée trois fois par la vapeur. La première comporte deux jeux de clarinettes ; la seconde, en comporte quatre. Les tuyères de détente à haute pression sont situées dans l’appareil ; les autres en dehors ; la vapeur qui remplit la turbine est à la pression intermédiaire.

L’emploi des deux chutes de pression, pour les puissances supérieures à 50 chevaux, se traduit par une économie notable, grâce à la diminution de vitesse de la vapeur. Dans les turbines, une des pertes d’énergie les plus importantes est due, en effet, au frottement du fluide sur les’ aubes et sur les parois des éon duites ; cette perte est sensiblement proportionnelle au carré de la vitesse. En employant deux chutes de pression, il . est possible d’abaisser la vitesse de 1200 à 850 mètres par seconde ; les pertes se trouvent donc réduites dans le rapport \frac{850^2}{1200^2} soit à.peu près \frac{1}{20} . De la sorte, la consommation d’une turbine compound de 100 chevaux ne dépasse pas 7,200 kg de vapeur par cheval-heure, tandis que celle d’une turbine simple de 10 chevaux est de 13 kg dans les mêmes conditions.

La vapeur surchauffée doit être employée de préférence, non seulement pour des raisons d’économie, mais aussi parce qu’elle est tout à fait sèche, tandis qu’avec la vapeur saturée, les gouttelettes provenant de la condensation peuvent détériorer à la longue les organes sur lesquels frotte la vapeur : en particulier les aubes.

Les turbines Électra, comme les autres turbines à vapeur, ont sur les machines à piston cet avantage que. l’on peut pousser aussi loin qu’on le veut la détente ; dans ces dernières machinés il n’en est pas ainsi, car les dimensions des cylindres sont forcément limitées. Mais ce qu’il importe surtout de signaler, c’est le parti que l’on peut tirer de ces appareils lorsqu’on n’a besoin que d’une puissance réduite : par exemple dans les groupes électrogènes à vapeur de 40 à 200 kilowatts. On a même construit des turbines de ce genre réversibles, pour la commande des hélices.

ÉTIENNE MAIGRE.

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