Turbine à gaz contre turbine à vapeur
Les turbines sont une classe de turbomachines utilisées pour convertir l'énergie d'un fluide en circulation en énergie mécanique à l'aide de mécanismes de rotor. Les turbines, en général, convertissent l'énergie thermique ou cinétique du fluide en travail. Les turbines à gaz et les turbines à vapeur sont des turbomachines thermiques, où le travail est généré à partir du changement d'enthalpie du fluide de travail; c'est-à-dire que l'énergie potentielle du fluide sous forme de pression est convertie en énergie mécanique.
Selon la direction du flux de fluide, les turbines sont classées en turbines à flux axial et turbines à flux radial. Techniquement, une turbine est un détendeur, qui délivre un travail mécanique en sortie par la diminution de la pression, qui est le fonctionnement inverse du compresseur. Cet article se concentre sur le type de turbine à flux axial, qui est plus courant dans de nombreuses applications d'ingénierie.
La structure de base d'une turbine à flux axial est conçue pour permettre un flux continu de fluide tout en extrayant l'énergie. Dans les turbines thermiques, le fluide de travail, à une température et une pression élevées, est dirigé à travers une série de rotors constitués d'aubes inclinées montées sur un disque rotatif fixé à l'arbre. Entre chaque disque de rotor, des pales fixes sont montées, qui agissent comme des buses et des guides pour le flux de fluide.
En savoir plus sur la turbine à vapeur
Même si le concept d'utilisation de la vapeur pour effectuer des travaux mécaniques a longtemps été utilisé, la turbine à vapeur moderne a été conçue par l'ingénieur anglais Sir Charles Parsons en 1884.
La turbine à vapeur utilise la vapeur sous pression d'une chaudière comme fluide de travail. La vapeur surchauffée entrant dans la turbine perd sa pression (enthalpie) en se déplaçant à travers les pales des rotors, et les rotors déplacent l'arbre auquel ils sont connectés. Les turbines à vapeur fournissent de l'énergie à un rythme régulier et constant, et l'efficacité thermique d'une turbine à vapeur est supérieure à celle d'un moteur alternatif. Le fonctionnement de la turbine à vapeur est optimal à des états de régime plus élevés.
Strictement, la turbine n'est qu'un élément du fonctionnement cyclique utilisé pour la production d'électricité, qui est idéalement modélisé par le cycle de Rankine. Les chaudières, les échangeurs de chaleur, les pompes et les condenseurs sont également des composants de l'opération mais ne font pas partie de la turbine.
De nos jours, l'utilisation principale des turbines à vapeur est la production d'électricité, mais au début du 20e siècle, les turbines à vapeur étaient utilisées comme centrale électrique pour les navires et les moteurs de locomotives. À titre d'exception, dans certains systèmes de propulsion marine où les moteurs diesel ne sont pas pratiques, comme les porte-avions et les sous-marins, les moteurs à vapeur sont toujours utilisés.
En savoir plus sur les turbines à gaz
Moteur à turbine à gaz ou simplement une turbine à gaz est un moteur à combustion interne, utilisant des gaz tels que l'air comme fluide de travail. L'aspect thermodynamique du fonctionnement de la turbine à gaz est idéalement modélisé par le cycle de Brayton.
Le moteur à turbine à gaz, contrairement à la turbine à vapeur, se compose de plusieurs composants clés; ce sont le compresseur, la chambre de combustion et la turbine, qui sont assemblés le long d'un arbre rotatif, pour effectuer différentes tâches d'un moteur à combustion interne. L'admission de gaz à partir de l'entrée est d'abord comprimée à l'aide d'un compresseur axial; qui fait exactement le contraire d'une simple turbine. Le gaz sous pression est ensuite dirigé à travers un étage diffuseur (une buse divergente), dans lequel le gaz perd sa vitesse, mais augmente encore la température et la pression.
À l'étape suivante, le gaz pénètre dans la chambre de combustion où un combustible est mélangé au gaz et enflammé. À la suite de la combustion, la température et la pression du gaz montent à un niveau incroyablement élevé. Ce gaz passe ensuite à travers la section de turbine et, lors de son passage, produit un mouvement de rotation vers l'arbre. Une turbine à gaz de taille moyenne produit des taux de rotation de l'arbre aussi élevés que 10 000 tr/min, tandis que des turbines plus petites peuvent produire 5 fois plus.
Les turbines à gaz peuvent être utilisées pour produire du couple (par l'arbre en rotation), de la poussée (par l'échappement des gaz à grande vitesse), ou les deux en combinaison. Dans le premier cas, comme dans la turbine à vapeur, le travail mécanique fourni par l'arbre n'est qu'une transformation d'enthalpie (pression) du gaz à haute température et pression. Une partie du travail de l'arbre est utilisée pour entraîner le compresseur via un mécanisme interne. Cette forme de turbine à gaz est principalement utilisée pour la production d'électricité et comme centrales électriques pour des véhicules tels que des chars et même des voitures. Le char américain M1 Abrams utilise un moteur à turbine à gaz comme centrale électrique.
Dans le second cas, le gaz à haute pression est dirigé à travers une buse convergente pour augmenter la vitesse, et la poussée est générée par les gaz d'échappement. Ce type de turbine à gaz est souvent appelé moteur à réaction ou turboréacteur, qui propulse les avions de chasse militaires. Le turboréacteur est une variante avancée de ce qui précède, et la combinaison de la poussée et de la génération de travail est utilisée dans les moteurs à turbopropulseurs, où le travail de l'arbre est utilisé pour entraîner une hélice.
Il existe de nombreuses variantes de turbines à gaz conçues pour des tâches spécifiques. Ils sont préférés aux autres moteurs (principalement des moteurs alternatifs) en raison de leur rapport puissance / poids élevé, de leurs vibrations réduites, de leurs vitesses de fonctionnement élevées et de leur fiabilité. La chaleur résiduelle est dissipée presque entièrement par l'échappement. Dans la production d'électricité, cette énergie thermique perdue est utilisée pour faire bouillir de l'eau afin de faire fonctionner une turbine à vapeur. Le processus est connu sous le nom de production d'énergie à cycle combiné.
Quelle est la différence entre une turbine à vapeur et une turbine à gaz ?
• La turbine à vapeur utilise de la vapeur à haute pression comme fluide de travail, tandis que la turbine à gaz utilise de l'air ou un autre gaz comme fluide de travail.
• La turbine à vapeur est essentiellement un détendeur délivrant un couple en tant que sortie de travail, tandis qu'une turbine à gaz est un dispositif combiné composé d'un compresseur, d'une chambre de combustion et d'une turbine exécutant une opération cyclique pour fournir un travail sous forme de couple ou de poussée.
• La turbine à vapeur n'est qu'un composant exécutant une étape du cycle de Rankine, tandis que le moteur à turbine à gaz exécute l'ensemble du cycle de Brayton.
• Les turbines à gaz peuvent fournir un couple ou une poussée en tant que sortie de travail, tandis que les turbines à vapeur fournissent presque tout le temps un couple en tant que sortie de travail.
• L'efficacité des turbines à gaz est bien supérieure à celle de la turbine à vapeur en raison des températures de fonctionnement plus élevées des turbines à gaz. (Turbines à gaz ~1500 0C et turbines à vapeur ~550 0C)
• L'espace requis pour les turbines à gaz est bien inférieur à celui d'une turbine à vapeur, car la turbine à vapeur nécessite des chaudières et des échangeurs de chaleur, qui doivent être connectés à l'extérieur pour l'ajout de chaleur.
• Les turbines à gaz sont plus polyvalentes, car de nombreux combustibles peuvent être utilisés et le fluide de travail, qui doit être alimenté en continu, est facilement disponible partout (air). Les turbines à vapeur, en revanche, nécessitent de grandes quantités d'eau pour fonctionner et ont tendance à causer des problèmes à basse température en raison du givrage.
