Les turbines à vapeur

Chaudière, Machines à Vapeur, 4e et 3e Classes 1954

217 — Qu'est-ce qui distingue une turbine à vapeur d'une machine ordinaire?

Dans la machine à vapeur ordinaire, l'énergie que contient la vapeur se transforme en mouvement par la pression que la vapeur exerce sur le piston mobile pendant la durée de sa course. Il y a arrêt, puis retour du piston, et ainsi de suite.

Dans la turbine à vapeur, la pression s'exerce de façon continue sur les aubes de la turbine, ce qui produit un mouvement de rotation sans arrêt.

218 — Comment s'accomplit la détente de la vapeur dans une turbine?

L'énergie potentielle de la vapeur se transforme en énergie motrice en passant alternativement dans des aubages (blades) fixes et mobiles (fig. 80).

Les aubages fixes portent généralement le nom d'ajutages ou tuyères (nozzles) et sont constitués par les canaux qui séparent les ailettes du rotor.

219 — Quels sont les principaux types de turbines à vapeur utilisés dans l'industrie?

On distingue quatre types principaux de turbines à vapeur, ce sont les:

1° Turbines à action (impulse turbine)

2° Turbines à réaction pure

3° Turbines à réaction (reaction turbine)

4° Turbines combinées.

Fig. 72.— Chute graduelle de pression qui s'accomplit dans une turbine à action à douze étages de pression.

Fig. 73.— Couronne d'une turbine à action avec ajutage convergent-divergent qui permet une détente de la vapeur avant qu'elle vienne en contact avec les aubages mobiles.

220 — Comment agit la vapeur dans une turbine à action?

Dans ce type de turbine, la vapeur se détend complètement dans les aubages fixes, Comme aucune détente ne se

produit dans les aubages mobiles, la vapeur reste à la même pression à l'entrée et à la sortie de ces aubages. (Fig. 62).

221 — Comment agit la vapeur dans une turbine à réaction pure?

Dans les turbines à réaction pure, la vapeur se détend complètement dans les aubages mobiles qui se trouvent insérés à la circonférence d'un disque, pour former ce qu'on appelle une couronne. (Fig. 74).

Ces turbines ne comportent pas d'aubages fixes.

Fig. 74.— Couronne et ajutage d'une turbine simple à réaction.

222 — Quel est le mode d'action d'une turbine à réaction?

Dans la turbine à réaction pure, la vapeur se détend dans les aubages mobiles aussi bien que dans les aubages fixes; sa pression est plus forte à l'entrée des aubages mobiles qu'à la sortie.

En réalité, la vapeur agit dans ces turbines par action et par réaction sur les aubages mobiles et c'est pourquoi on désigne assez souvent ce type de turbine sous le nom de turbines à étages. (Fig. 75 et 76).

Fig. 75.— Schéma d'une turbine à étiages et à réaction.

Fig. 76.— Dans une turbine à réaction, la vapeur se détend graduellement comme le fait voir le graphique du haut ; elle subit des variations de pression selon qu'elle passe par les aubages fixes ou mobiles.

223 — Qu'est-ce qui distingue la turbine combinée des autres?

La turbine combinée utilise à la fois le mode d'action de la turbine à action et celui de la turbine à réaction. Elle se caractérise par une section de turbine utilisant la haute pression et par une deuxième section fonctionnant à basse pression. (Fig. 77).

Fig.. 77.— La turbine combinée utilise la vapeur à haute pression dans une première série d'aubages et la vapeur à basse pression dans la série qui fait suite à la première. La vapeur subit les variations de vitesse que fait voir le graphique du bas.

224 — Quelles sont les classifications des turbines à action?

On peut subdiviser les turbines à action en quatre groupes, savoir:

1 ° turbines à un seul étage de pression ;

2° turbines à étages de vitesse; 3,° turbines à étapes de pression et étages de vitesse; 4° turbines à étages de pression.

225 — S'ii est-ce qu'on entend par "étage" de pression?

Dans une turbine à action, on entend par «étage de pression» cette partie de la machine dans laquelle la vapeur, en développant son énergie, subit une diminution de pression.

L'étage se compose d'une série de tuyères ou ajutages fixes (nozzles) et d'une ou plusieurs couronnes munies d'aubages mobiles que la vapeur atteint en quittant les ajutages fixes.

226 — Que désigne-t-on sous le nom de "couronne"?

On entend par là l'ensemble des aubages ou ailettes disposés circulairement (en rond) autour d'un disque appelé rotor qui est solidement assujetti à l'arbre moteur de la turbine. (Fig. 78).

Fig. 78.— Détails de construction et d'assemblage des aubes d'une turbine à vapeur.

227 — Comment fonctionne la turbine à action à étage unique?

L'action de la vapeur s'exerce, dans cette turbine, comme le fait voir le croquis 79. La turbine se compose d'un certain nombre d'ajutages fixes, et d'une couronne d'aubes mobiles montées sur le rotor.

La vapeur se détend dans les ajutages fixes pour atteindre son maximum de vitesse au moment où elle prend contact avec les aubages mobiles auxquels elle imprime un mouvement de rotation, puis elle s'échappe au-delà de ces aubages dans le corps de la turbine.

Fig. 79.— Détente de la vapeur dans une turbine à action à étage unique de pression.

228 — Quel est le mode de fonctionnement des ajutages, dans les turbines à étages?

La forme des ajutages (nozzles) est très importante.

Comme le montre notre croquis 80, ces ajutages doivent prendre une forme «convergente-divergente» (venturi) qui comprime d'abord la vapeur à son arrivée de la chaudière, puis lui accorde ensuite une détente graduelle.

On les appelle ajutages convergents-divergents.

Fig. 80.— Dispositions des aubages et d'un ajutage permettant de transformer l'énergie que contient la vapeur en énergie motrice.

229 — De quoi se compose une turbine à étages de vitesse?

Cette machine est formée d'un certain nombre d'ajutages fixes du type convergent-divergent, de deux couronnes d'aubages mobiles et d'une couronne d'aubages fixes appelés aubes directrices. (Fig. 75 et 80).

230 — Comment la vapeur agit-elle dans ce type de turbine?

La vapeur se détend dans les ajutages fixes et pénètre dans la première couronne d'aubes ou ailettes.

À la sortie de cette première couronne, la vapeur a perdu environ la moitié de sa vitesse.

Elle passe alors dans la série d'aubes directrices qui la fait changer de direction et réduit encore quelque peu sa vitesse, puis elle attaque la deuxième couronne mobile d'où elle s'échappe à une vitesse considérablement réduite. (Fig. 76).

231 — Quel est le principe de fonctionnement des turbines à action à étages de pression et étages de vitesse?

Cet appareil est constitué de deux, trois, quatre (ou plus) turbines à action à étages de vitesse qui se trouvent placées en série, chacune constituant un étage de pression.

Ce type de turbine est connu sous le nom de turbine "Curtiss". (Fig. 75).

232 —- Comment la vapeur se comporte-t-elle dans une turbine à action à étages de pression?

Cette turbine est composée de plusieurs turbines à action à un seul étage montées en série.

Bien que tournant moins vite qu'une turbine à un seul étage travaillant sous la même pression, cette turbine offre l'avantage d'utiliser plus complètement la force motrice de la vapeur.

La figure schématique n° 72 permet de constater la chute de pression qui s'accomplit dans une turbine à douze étages depuis l'instant où la vapeur pénètre dans l'appareil jusqu'au moment de sa sortie.

233 — Quel est le principe des turbines à réaction pure?

Le principe de ces turbines est celui du moulinet de Héron l'Ancien (Fig. 81) formé de deux ajutages orientés en sens contraire et montés sur une sphère tournante et creuse.

Cette sphère est montée sur un arbre également creux qui sert de conduit pour la vapeur et la fait pénétrer dans la sphère évidée jusqu'aux ajutages d'où elle provoque, par réaction, la rotation de la sphère et de l'arbre qui la supporte.

Ce type de turbine ne comporte qu'un intérêt pratique fort limité car le principe n'en a pas encore été appliqué industriellement.

Fig. 81.— Turbine à réaction inventée environ 600 ans avant J.-C. par Héron l'Ancien, célèbre mathématicien
d'Alexandrie.

234 — Comment fonctionnent les turbines à réaction du type Parsons?

Dans ce type de turbine, les aubes sont généralement insérés à la périphérie de plusieurs disques mobiles groupés ensemble, ou mieux sur la surface externe d'un tambour divisé en sections d'un diamètre croissant.

Notre fig. 82 fait voir comment est réalisé cet agencement tout en donnant un aperçu de la manière dont la vapeur agit alternativement sur les couronnes d'ailettes fixes et mobiles. Cette turbine a été appliquée industriellement par sir Charles Parsons et elle est encore d'un usage très répandu.

Fig. 82.— Turbine Parsons à réaction.

235 — Quels inconvénients communs présentent les turbines à action et les turbines à réaction?

Les turbines à action et les turbines à réaction doivent toutes conserver un certain jeu entre les aubages mobiles et les aubages fixes afin que ceux-ci ne s'entrechoquent pas et provoquent ce qu'on appelle des «salades d'ailettes». Il s'ensuit que la vapeur perd plus ou moins de son rendement à cause de ces espaces libres.

236 — Comment peut-on remédier à ces inconvénients?

des aubages à réaction est remplacée par une couronne à action. Quelques-unes de ces turbines sont pourvues d'un double trajet de vapeur. (Fig. 84).

Fig. 84.— Turbine Westinghouse à double trajet de vapeur qui peut développer 10,000 kilowatts à 1,500 tpm.

239 — Indiquez quelques types d'ajutages.

Dans l'ajutage type De Laval, la partie convergente est très courte tandis que la partie divergente s'étale sur une

bonne longueur et se termine en biseau. (Fig. 85). Certaines turbines comportent des ajutages groupés, à section rectangulaire avec étranglement coudé. (Fig. 86).

Fig. 85.— Ajutage, type De Laval, à partie convergente très courte et à partie divergente allongée.

Fig. 86.—Ajutages à section rectangulaire, groupés et coudés.

240 — Comment les aubes sont-elles généralement disposées sur les couronnes de turbines à vapeur?

Dans les turbines à action du type De Laval, les aubes sont disposées à la périphérie du disque comme le montre notre fig. 87. Elles s'insèrent dans une rainure dont est pourvue la jante du disque ou rotor.

Pour les turbines à action à étages de pression, les aubes utilisées prennent la forme que fait voir notre fig. 88 et sont assujetties au moyen de rivets à tête noyée, l'un de ces rivets étant placé au point de jonction de l'aube voisine.

Fig. 87.— Disposition des aubes à la périphérie du disque mobile d'une turbine De Laval.

Fig. 88.— Assemblage des aubes au moyen de rivets sur la jante d'un rotor d'une turbine à action à étages de pression.

241 — De quelle manière parvient-on à régler la vitesse des turbines à vapeur?

On détermine la quantité de vapeur admise dans les ajutages, en fonction de la charge que doit supporter une turbine, par quatre systèmes principaux:

1° étranglement de la vapeur par commande directe ou relai;

2° fermeture d'un groupe ou élément d'ajutages ou tuyères;

3° admission intermittente de la vapeur ;

4° conduite de dérivation (by-bass) à main ou automatique.

242 — Comment fonctionne le régulateur de sûreté De Laval?

C'est un clapet à ressort (Fig. 89) qui se trouve placé sur la conduite d'échappement (exhaust) et qui, en se fermant, fait augmenter la pression dans le corps même de la turbine dont la vitesse s'abaisse. Ce régulateur est construit de manière à fonctionner par l'action de la force centrifuge.

243 — Quel est le principe utilisé dans les régulateurs Westinghouse?

Dans la plupart des turbines à grande puissance, on utilise le système que fait voir notre fig. 89.

Fig. 89.— Régulateur de sûreté dont le clapet à ressort peut obstruer la conduite d'échappement lorsque la turbine s'emballe.

Il s'agit d'une tige placée perpendiculairement dans l'arbre principal de la turbine et dont le centre de gravité est légèrement excentré par rapport à l'axe de l'arbre. Cette tige est maintenue en place par ressort qui neutralise l'action de la force centrifuge lorsque la turbine marche à sa vitesse normale.

Mais du moment que la vitesse augmente et que la machine s'emballe, la tige sort de sa position sous l'effet de la force centrifuge et vient buter sur le levier basculant qui, en s'élevant, déclenche un déclic qui ferme automatiquement la vanne d'admission de la vapeur.

244 — Comment la vitesse des turbines Curtiss est-elle réglée?

Le régulateur à force centrifuge est commandé par un engrenage hélicoïdal et il fonctionne comme le fait voir notre fig. 90.

Fig. 90.— Régulateur d'admission hydraulique.

245 — Comment opèrent les systèmes de réglage par admission intermittente et par dérivation?

Ces deux systèmes de réglage sont relativement peu employés. Le régulateur par dérivation (by-pass) est opéré à la main et ne permet guère d'économiser la vapeur.

PRÉCAUTIONS EN CAS D'INCENDIE

246 — Que doit-on faire lorsqu'un incendie se déclare dans l'usine?

La première chose à faire pour parer à toute éventualité, c'est de tirer le feu de dessous la chaudière.

Ensuite mettre immédiatement en marche la pompe à incendie si l'atelier en possède une afin de remplir, au besoin, le réservoir élevé de l'établissement placé au-dessus du toit.

Si l'incendie est menaçant, le personnel de la chambre aux machines doit alors quitter cet endroit.

247 — Si l'incendie vous prend par surprise et que vous ne puissiez tirer le feu quelle est la meilleure façon d'agir?

On ouvre les portes du foyer et on met en marche la pompe alimentaire ainsi que la pompe du réservoir à pleine vitesse ; ensuite on quitte les lieux.