Unité de générateur de turbine à vapeur

A turbine à vapeur est une machine qui extrait l'énergie thermique de la vapeur sous pression et l'utilise pour effectuer un travail mécanique sur un arbre de sortie rotatif. Sa représentation moderne a été inventée par Charles Parsons en 1884. La fabrication de turbines à vapeur modernes implique le travail des métaux avancé, en utilisant des techniques vues pour la première fois au 20e siècle pour former des alliages en acier de haut niveau en parties de précision; Les progrès continus dans la durabilité et l'efficacité des turbines à vapeur restent une caractéristique du noyau d'économie énergétique du 21e siècle.La turbine à vapeur est une forme de moteur thermique où la plupart des améliorations de l'efficacité thermodynamique proviennent de l'utilisation de plusieurs étapes dans l'expansion de la vapeur, ce qui se traduit par un processus d'expansion réversible qui est plus proche de l'idéal.

Parce que la turbine produit un mouvement de rotation, il peut être couplé à un générateur pour convertir son mouvement en énergie électrique. Ce générateur de turbine est le cœur d'une centrale thermique qui peut être alimentée par des combustibles fossiles, du combustible nucléaire, de l'énergie géothermique ou solaire. En 2014, environ 85% de la production d'électricité aux États-Unis provenait de turbines à vapeur.

Depuis 2021, l'une des plus grandes turbines à vapeur au monde est l'Arabelle, une turbine construite par GE basée sur la conception originale d'Alstom. La turbine Arabelle a un diamètre de 7 m, pèse 4000 tonnes et tourne à 1500 tr / min. Dans une installation nucléaire typique, 4 000 tonnes de structures en acier de support sont également nécessaires, ainsi que 1 000 tonnes de pompes, de vannes et de tuyauterie.

Les défis techniques comprennent le déséquilibre du rotor, les vibrations, l'usure des roulements et l'expansion inégale (toutes les formes de choc thermique). Dans les grandes installations, même les turbines les plus robustes peuvent secouer lorsqu'ils sont à lats.

Les types

Les turbines à vapeur sont disponibles dans une variété de tailles, de petites unités <0,75 kW (<1 ch) utilisées comme disques mécaniques pour les pompes, les compresseurs et autres équipements basés sur l'arbre (rarement vus) à 1 500 MW (20000 000 HP) électricité. Il existe plusieurs classifications de turbines à vapeur modernes.

Lame et la conception de la scène

Il existe deux types de base de lames de turbine, des lames et des buses. Les lames se déplacent uniquement en raison de l'effet de la vapeur sur eux, leur profil ne converge pas. appelées turbines impulsives, turbines Curtiss, turbines lato ou turbines brunes-curtiss. Les buses ressemblent aux aubes, mais leurs profils convergent près de la sortie. Le mouvement de la buse est dû à l'impact de la vapeur sur la buse et à la réaction de la vapeur à grande vitesse à la sortie. Les turbines constituées de buses alternées mobiles et fixes sont appelées turbines réactives ou turbines Parsons.À l'exception des applications de faible puissance, les lames de turbine sont disposées en série en plusieurs étapes, appelées composés, ce qui améliore considérablement l'efficacité à faible vitesse. Le tableau de réaction est une rangée de buses fixes suivie d'une rangée de buses de mouvement. La chute de pression entre l'entrée de la vapeur et l'échappement dans de nombreuses petites gouttelettes, créant une turbine à composé de pression. Les phases d'impulsion peuvent être composées de pression, composé de vitesse ou de vitesse de pression. Vanes en mouvement avec plusieurs étapes de composés. Ceci est également connu sous le nom de turbine Rateau, nommé d'après son inventeur. Le stade d'impulsion de vitesse composé (inventé par Curtis, également connu sous le nom de "Curtis Wheel ") est une rangée de buses fixes suivies par Deux rangées ou plus de lames mobiles, alternant avec des rangées de lames fixes. [20] Une série de stades d'impulsion de la vitesse de vitesse connus sous le nom de turbines composées à vitesse de pression.En 1905, lorsque des turbines à vapeur ont commencé à être utilisées dans les navires Clipper (comme le HMS Dreadnought) et les applications d'alimentation terrestre, il avait été déterminé qu'il était conseillé d'utiliser une ou plusieurs roues Curtiss au début de plusieurs étapes (où la La pression de vapeur était la plus élevée), suivie de la phase de réaction. L'utilisation de la vapeur à haute pression est plus efficace en raison d'une baisse des fuites entre le rotor de turbine et le boîtier. À haute pression sur le côté droit à travers une valve d'étranglement, qui est contrôlée manuellement par l'opérateur (dans ce cas, le marin est appelé la valve d'étranglement). Il passe par cinq roues Curtiss et de nombreuses étapes de réaction (petites aubes sur le bord de les deux grands rotors au milieu) avant de sortir à basse pression et presque certainement dans le condenseur.Le condenseur fournit un vide pour maximiser l'extraction d'énergie de la vapeur et condense la vapeur dans l'eau d'alimentation pour le retour au th e chaudière. À gauche, il y a plusieurs étapes de réaction supplémentaires (sur les deux grands rotors) qui contre-rotatent les turbines pour un fonctionnement inverse, la vapeur entrant à travers un accélérateur séparé. Depuis que les navires sont rarement exécutés à l'envers, l'efficacité n'est pas une priorité pour inverser Turbines, donc seules quelques étapes sont utilisées pour économiser les coûts.

Conception de lame

Un défi majeur dans la conception de la turbine consiste à réduire le fluage de la lame.Mer les températures élevées et les contraintes de fonctionnement, les matériaux de turbine à vapeur peuvent échouer à travers ces mécanismes. Le fluage devient important à mesure que la température augmente afin d'améliorer l'efficacité de la turbine. Pour limiter le fluage, les revêtements thermiques et les superalliages avec renforcement de la solution solide et le renforcement des limites des grains sont utilisés dans la conception de la lame.Les revêtements protecteurs sont utilisés pour réduire les dommages thermiques et limiter l'oxydation. Ces revêtements sont généralement des céramiques à base de zircone stabilisées. Le revêtement d'oxyde limite la perte d'efficacité de l'accumulation à l'extérieur de la lame, ce qui est particulièrement important dans les environnements à haute température.Les inserts à base de nickel sont alliés avec de l'aluminium et du titane pour la résistance et la résistance au fluage. La microstructure de ces alliages se compose de régions de composition distincte. La résistance et la résistance au fluage de la lame.

Des éléments réfractaires tels que le rhénium et le ruthénium peuvent être ajoutés à l'alliage pour augmenter la force de fluage. L'ajout de ces éléments réduit la diffusion de la phase gamma, maintenant ainsi la résistance à la fatigue, la résistance et la résistance au fluage.

Conditions d'alimentation et d'échappement à la vapeur

Les types de turbines comprennent la condensation, la non-condensation, le réchauffage, l'extraction et l'induction.

Condensation des turbines

Les turbines de condensation se trouvent le plus souvent dans les centrales électriques. .

Turbines non condensatrices

Les turbines non condensatrices sont les plus largement utilisées dans les applications de vapeur de processus où la vapeur sort de la turbine et est utilisée à d'autres fins. La pression d'échappement est contrôlée par une soupape de régulation pour répondre aux besoins de la pression de vapeur de processus. , Installations de chauffage de district, Pulp and Paper Mills et Installations de dessalement où de grandes quantités de vapeur de processus à basse pression sont nécessaires.

Réchauffer les turbines

Les turbines de réchauffage sont également utilisées presque exclusivement dans les centrales électriques. où il continue de se développer. L'utilisation de réchauffage dans un cycle augmente la production de travail de la turbine, et l'expansion touche à sa fin avant que la vapeur ne se condense, minimisant l'érosion des dernières lignes de lames. Dans la plupart des cas, le nombre maximum de réchauffages utilisés dans un cycle est de 2 comme Le coût de la vapeur surchauffée compense l'augmentation de la production de travail de turbine.

Extraction de turbines

Les turbines d'extraction sont courantes dans toutes les applications. .La vapeur extraite entraîne une perte de puissance dans les étapes en aval de la turbine.Les turbines à induction introduisent une vapeur à basse pression au stade intermédiaire pour générer une puissance supplémentaire.