Turbines

Turbines à impulsion et à réaction

Les turbines fonctionnent de deux manières différentes décrites comme impulsion et réaction – des termes qui sont souvent très confus (et parfois complètement embrouillés) lorsque les gens essaient de les expliquer.Alors, quelle est la différence ?

Turbines à impulsion

Dans une turbine à impulsion, un fluide à mouvement rapide est tiré par une buse étroite sur les pales de la turbine pour les faire tourner. Les aubes d’une turbine à impulsion sont généralement en forme de godet, de sorte qu’elles capturent le fluide et le dirigent vers un angle ou parfois même vers son point d’origine (car cela permet le transfert d’énergie le plus efficace du fluide vers la turbine). Dans une turbine à impulsion, le fluide est forcé de frapper la turbine à grande vitesse.

Imaginez que vous essayez de faire tourner une roue comme celle-ci en envoyant des ballons de football dans ses palettes. Il faudrait que les ballons frappent fort et rebondissent bien pour faire tourner la roue – et ces impulsions d’énergie constantes sont la clé de son fonctionnement. La loi de la conservation de l’énergie nous dit que l’énergie que la roue gagne, chaque fois qu’une balle la frappe, est égale à l’énergie que la balle perd – les balles se déplacent donc plus lentement lorsqu’elles rebondissent. De plus, la deuxième loi du mouvement de Newton nous dit que l’élan gagné par la roue lorsqu’une balle la frappe est égal à l’élan perdu par la balle elle-même ; plus une balle touche la roue longtemps, et plus elle frappe fort (avec plus de force), plus elle transférera d’élan.

Les turbines à eau sont souvent basées autour d’une turbine à impulsion (bien que certaines fonctionnent avec des turbines à réaction). Elles sont de conception simple, faciles à construire et peu coûteuses à entretenir, notamment parce qu’elles n’ont pas besoin d’être contenues à l’intérieur d’un tuyau ou d’un boîtier (contrairement aux turbines de réaction).

Artwork : Une roue hydraulique Pelton est un exemple de turbine à impulsion. Elle tourne alors qu’un ou plusieurs jets d’eau à haute pression (bleu), contrôlés par une vanne (vert), se déchargent dans les godets autour du bord de la roue (rouge). Lester Pelton a obtenu un brevet pour cette idée en 1889, d’où est tiré ce dessin.Artwork from US Patent 409,865 : Water Wheel by Lester Pelton, avec l’aimable autorisation de l’Office américain des brevets et des marques.

Artwork : Une turbine à impulsion comme celle-ci fonctionne lorsque le fluide entrant frappe les godets et rebondit à nouveau. La forme exacte des godets et la façon dont le fluide les frappe font une grande différence dans la quantité d’énergie que la turbine peut capter. Les godets doivent également être conçus pour que l’action du jet sur un godet n’affecte pas le godet suivant.

Turbines à réaction

Dans une turbine à réaction, les pales se trouvent dans un volume de fluide beaucoup plus important et tournent sur elles-mêmes lorsque le fluide passe devant elles. Une turbine à réaction ne change pas la direction de l’écoulement du fluide aussi radicalement qu’une turbine à impulsion : elle tourne simplement lorsque le fluide pousse à travers et devant ses pales.Les éoliennes sont peut-être les exemples les plus familiers de turbines à réaction.

Photo : Une turbine à réaction typique d’une centrale géothermique.L’eau ou la vapeur passe devant les pales angulaires, les poussant et faisant tourner l’arbre central auquel elles sont attachées. L’arbre fait tourner un générateur qui produit de l’électricité.Photo de Henry Price, avec l’aimable autorisation du ministère américain de l’Énergie/Laboratoire national des énergies renouvelables (DOE/NREL).

Artwork : Une turbine à réaction comme celle-ci ressemble beaucoup plus à une hélice. La principale différence est qu’il y a plus d’aubes dans une turbine (je n’ai dessiné que quatre pales pour plus de simplicité) et souvent plusieurs jeux d’aubes (plusieurs étages), comme vous pouvez le voir sur les photos des turbines à vapeur et à gaz en haut de cette page.

Si une turbine à impulsion est un peu comme taper dans des ballons de foot, une turbine à réaction est plus comme nager à l’envers.Laissez-moi vous expliquer ! Pensez à la façon dont vous faites de la nage libre (crawl avant) en tirant vos bras dans l’eau, en commençant par chaque main aussi loin devant que vous pouvez l’atteindre et en terminant par un « follow through » qui jette votre puits de bras derrière vous. L’objectif est de maintenir la pression de la main et de l’avant-bras sur l’eau aussi longtemps que possible, afin de transférer un maximum d’énergie à chaque coup. Une turbine à réaction utilise la même idée en sens inverse : imaginez que l’eau qui coule rapidement passe devant vous pour faire bouger vos bras et vos jambes et fournir de l’énergie à votre corps ! Avec une turbine à réaction, vous voulez que l’eau touche les pales en douceur, aussi longtemps qu’elle le peut, afin qu’elle libère le plus d’énergie possible. L’eau ne frappe pas les pales et ne rebondit pas, comme c’est le cas dans une turbine à impulsion : au lieu de cela, les pales se déplacent plus doucement, « en suivant le courant ».

Les turbines ne captent l’énergie qu’au point où un fluide les touche, donc une turbine à réaction(avec plusieurs pales qui touchent toutes le fluide en même temps) extrait potentiellement plus d’énergie qu’une turbine à impulsionde même taille (parce qu’en général, seulement une ou deux de ses pales sont dans la trajectoire du fluide à la fois).

Types de turbines à réaction

Certaines conceptions courantes de turbines à réaction sont :

• Wells-qui ressemble beaucoup à une hélice, avec des pales en forme de profil aérodynamique tournant autour d’un axe horizontal.
• Francis-typiquement, avec de grandes pales en forme de V, tournant souvent sur un axe vertical à l’intérieur d’une sorte de coquille d’escargot géante et en spirale. La Francis est de loin le type le plus courant de turbine hydraulique ; les turbines McCormick, Kaplan et Deriaz sont essentiellement des améliorations de la conception originale de la Francis.
• Darrieus-avec des pales en forme de profilé tournant autour d’un axe vertical.

Toutes ont leurs avantages et leurs inconvénients. Le Wells, par exemple, peut tourner très vite, mais il est aussi bruyant et relativement inefficace. Le Francis est plus silencieux et plus efficace, et très bon pour faire face aux contraintes mécaniques à l’intérieur des barrages hydroélectriques profonds (ceux avec des « têtes » d’eau élevées), mais il est aussi plus lent et mécaniquement plus complexe. Lorsqu’elles fonctionnent dans l’air, les turbines Darrieus sont plus proches du sol (elles peuvent donc se passer d’une tour encombrante), mais cela signifie qu’elles sont moins efficaces pour exploiter le vent (qui souffle plus vite plus haut au-dessus du sol) ; en général, elles sont moins efficaces et plus instables que les autres modèles de turbines (elles doivent souvent être stabilisées par des haubans) et sont à peine utilisées commercialement.

Penser à l’envers

Photo : Les turbines et les hélices fonctionnent de manière exactement opposée. Les hélices utilisent l’énergie pour faire bouger un fluide (l’air, dans le cas d’un avion, ou l’eau, dans le cas d’un navire ou d’un sous-marin) ; les turbines exploitent l’énergie lorsqu’un fluide en mouvement passe devant elles. A gauche : photo de l’hélice par le Tech. Sgt. Justin D. Pyle avec l’aimable autorisation de l’US Air Force.

Photo : Les pales de turbine ont une forme similaire à celle des pales d’hélice, mais sont généralement fabriquées à partir d’alliages à haute performance, car le fluide qui passe devant elles peut être très chaud. Photo d’une pale de turbine exposée à Think Tank, le musée des sciences de Birmingham, en Angleterre.

Vous avez peut-être remarqué que les éoliennes ressemblent à des hélices géantes – et c’est une autre façon d’envisager les turbines : des aspropulseurs fonctionnant à l’envers. Dans un avion, le moteur fait tourner l’hélice à grande vitesse, l’hélice crée un courant d’air vers l’arrière, et c’est ce qui pousse l’avion vers l’avant. Avec une hélice, les pales en mouvement entraînent l’air ; avec une turbine, l’air entraîne les pales.

Les turbines sont également similaires aux pompes et aux compresseurs. Dans une pompe, vous avez une roue à aubes qui tourne et qui aspire l’eau par un tuyau et la rejette par un autre afin de pouvoir déplacer l’eau (ou un autre liquide) d’un endroit à un autre. Si vous démontez une pompe à eau, vous pouvez voir que la roue à aubes interne (appelée turbine) est très similaire à celle que vous trouverez à l’intérieur d’une turbine à eau. La différence est qu’une pompe utilise de l’énergie pour faire bouger un fluide, alors qu’une turbine capte l’énergie d’un fluide en mouvement.

Turbines en action

En gros, on divise les turbines en quatre types selon le type de fluide qui les actionne : l’eau, le vent, la vapeur et le gaz.Bien que ces quatre types de turbines fonctionnent essentiellement de la même façon – elles tournent sur elles-mêmes lorsque le fluide se déplace contre elles – elles sont subtilement différentes et doivent être conçues de manière très différente. Les turbines à vapeur, par exemple, tournent incroyablement vite car la vapeur est produite sous haute pression. Les turbines éoliennes qui produisent de l’électricité tournent relativement lentement (principalement pour des raisons de sécurité), et doivent donc être énormes pour capter de grandes quantités d’énergie. Les turbines à gaz doivent être fabriquées dans des alliages particulièrement résistants car elles fonctionnent à des températures très élevées. Les turbines hydrauliques sont souvent très grandes, car elles doivent extraire l’énergie d’une rivière entière, qui a été endiguée et détournée pour passer devant elles. Elles peuvent tourner relativement lentement, car l’eau est lourde et transporte beaucoup d’énergie (en raison de sa masse élevée) même lorsqu’elle s’écoule à faible vitesse.

Turbines à eau

Photo : Une turbine à réaction Francis géante (la roue orange en haut) en train d’être descendue en position au barrage de Grand Coulee dans l’État de Washington, aux États-Unis.L’eau passe devant les pales angulaires, les poussant et faisant tourner l’arbre auquel elles sont attachées. L’arbre fait tourner un générateur d’électricité qui produit du courant.Photo reproduite avec l’aimable autorisation du US Bureau of Reclamation.

Les roues à eau, qui remontent à plus de 2000 ans, à l’époque des Grecs anciens, étaient les premières turbines à eau. Aujourd’hui, le même principe est utilisé pour produire de l’électricité dans les centrales hydroélectriques.L’idée de base de l’énergie hydroélectrique est que vous faites un barrage sur une rivière pour exploiter son énergie. Au lieu que la rivière s’écoule librement de sa source située sur une colline ou une montagne vers la mer, on lui fait franchir une hauteur (appelée hauteur de chute) pour qu’elle prenne de la vitesse (en d’autres termes, pour que son énergie potentielle soit convertie en énergie cinétique), puis on la fait passer par un tuyau appelé conduite forcée jusqu’à une turbine et un générateur. L’hydroélectricité est effectivement une conversion d’énergie en trois étapes :

• L’énergie potentielle initiale de la rivière (qu’elle possède parce qu’elle part d’un terrain élevé) est transformée en énergie cinétique lorsque l’eau franchit une hauteur.
• L’énergie cinétique de l’eau en mouvement est convertie en énergie mécanique par une turbine hydraulique.
• La turbine hydraulique en rotation entraîne un générateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.

Différents types de turbines hydrauliques sont utilisés en fonction de la géographie de la région, de la quantité d’eau disponible (le débit) et de la distance sur laquelle on peut la faire tomber (la hauteur de chute).Certaines centrales hydroélectriques utilisent des turbines à impulsion en forme de godets (généralement des roues Pelton) ; d’autres utilisent des turbines à réaction de type Francis, Kaplan ou Deriaz. Les turbines à impulsion (comme la roue Pelton) peuvent être complètement ouvertes à l’air, de sorte que l’on peut parfois voir le jet d’eau frapper la turbine. Les turbines à réaction, en revanche (comme la Francis), doivent être complètement enfermées dans le canal ou le passage par lequel l’eau s’écoule. Comme nous l’avons mentionné plus haut, alors qu’une turbine à impulsion ne capte l’énergie qu’au seul point où le jet d’eau la frappe, une turbine à réaction capte l’énergie sur l’ensemble de la roue en même temps – c’est pourquoi une turbine à réaction dans une centrale hydroélectrique peut produire plus d’énergie qu’une turbine à impulsion de la même taille.Ceci, à son tour, explique pourquoi la plupart des centrales hydroélectriques modernes utilisent des turbines à réaction.

Photo : Une turbine hydraulique Pelton. Remarquez comment chaque godet est, en fait, deux godets réunis.Le jet d’eau frappe le « séparateur » (l’endroit où les godets se rejoignent au milieu), le divisant en deux jets qui sortent proprement de chaque côté. Photo de Benjamin F. Pearson avec l’aimable autorisation de Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbines éoliennes

Elles sont traitées de manière beaucoup plus détaillée dans notre article distinct sur les turbines éoliennes.

Photo : Une éolienne typique, dans le Staffordshire, en Angleterre.La tour est à ~50m (~150ft) du sol parce que le vent se déplace plus rapidement lorsqu’il est dégagé des obstructions au niveau du sol.Les pales du rotor font ~15m (50ft) de diamètre et, avec un énorme balayage, capturent jusqu’à 225kW (kilowatts) d’énergie.

Turbines à vapeur

Les turbines à vapeur ont évolué à partir des moteurs à vapeur qui ont changé le monde aux 18e et 19e siècles. Une machine à vapeur brûle du charbon sur un feu ouvert pour libérer la chaleur qu’il contient. Cette chaleur est utilisée pour faire bouillir l’eau et produire de la vapeur, qui pousse un piston dans un cylindre pour faire fonctionner une machine telle qu’une locomotive de chemin de fer. Cette méthode est très inefficace (elle gaspille de l’énergie) pour toute une série de raisons. Une conception bien meilleure prend la vapeur et la fait passer devant les pales d’une turbine, qui tourne comme une hélice et entraîne la machine en même temps.

Les turbines à vapeur ont été lancées par l’ingénieur britannique Charles Parsons(1854-1931), qui les a utilisées pour faire fonctionner un bateau à moteur célèbre pour sa vitesse, appelé Turbinia, en 1889. Depuis lors, elles ont été utilisées de nombreuses manières différentes. Pratiquement toutes les centrales électriques produisent de l’électricité à l’aide de turbines à vapeur. Dans une centrale au charbon, le charbon est brûlé dans un four et utilisé pour chauffer l’eau et produire de la vapeur qui fait tourner des turbines à grande vitesse reliées à des générateurs d’électricité. Dans une centrale nucléaire, la chaleur qui produit la vapeur provient de réactions atomiques.

Contrairement aux turbines hydrauliques et éoliennes, qui placent une seule turbine rotative dans le flux de liquide ou de gaz, les turbines à vapeur ont une série de turbines (chacune d’entre elles est connue comme un étage) disposées en séquence à l’intérieur de ce qui est effectivement un tuyau fermé. Au fur et à mesure que la vapeur pénètre dans le tuyau, elle est canalisée à travers chaque étage afin d’extraire progressivement une plus grande partie de son énergie. Si vous avez déjà regardé une bouilloire bouillir, vous savez que la vapeur se dilate et se déplace très rapidement si elle est dirigée à travers une buse. C’est pourquoi les turbines à vapeur tournent à très grande vitesse, plusieurs fois plus vite que les éoliennes ou les turbines à eau.

Lire la suite dans l’article principal sur les turbines à vapeur.

Photo : Un prototype de turbine à gaz produit pour une centrale électrique à haut rendement. Chacune des roues métalliques est un étage de turbine séparé conçu pour extraire un peu plus d’énergie d’un gaz à grande vitesse. Vous pouvez voir la taille de cette turbine en regardant le petit homme habillé en blanc assis au milieu de la machine. Photo prise au Laboratoire national des technologies de l’énergie, Morgantown, avec l’aimable autorisation du ministère américain de l’Énergie.

Turbines à gaz

Les moteurs à réaction des avions sont un peu comme les turbines à vapeur en ce sens qu’ils ont plusieurs étages. Au lieu de la vapeur, ils sont entraînés par un mélange d’air aspiré à l’avant du moteur et de gaz incroyablement chauds produits par la combustion d’énormes quantités de kérosène (carburant à base de pétrole). Des moteurs à turbine à gaz un peu moins puissants sont également utilisés dans les locomotives de chemin de fer modernes et les machines industrielles.Voir notre article sur les moteurs à réaction pour plus de détails.