Les scientifiques ont encore du mal à trouver les moyens les plus efficaces de générer du courant - les progrès se sont précipités des cellules galvaniques aux premières dynamos, à vapeur, nucléaires, et maintenant solaires, éoliennes et à hydrogène. De nos jours, le moyen le plus massif et le plus pratique de produire de l'électricité reste un générateur entraîné par une turbine à vapeur.
Les turbines à vapeur ont été inventées bien avant que l'homme ne comprenne la nature de l'électricité. Dans cet article, nous parlerons de manière simplifiée de la structure et du fonctionnement d'une turbine à vapeur, et en même temps nous rappellerons comment le scientifique grec antique avait quinze siècles d'avance, comment le coup d'État a eu lieu dans l'ingénierie des turbines et pourquoi Toshiba estime qu'une turbine de trente mètres devrait être fabriquée avec une précision de 0,005 mm.
Comment fonctionne une turbine à vapeur
Le principe de fonctionnement d'une turbine à vapeur est relativement simple et sa structure interne n'a pas fondamentalement changé depuis plus d'un siècle. Pour comprendre le principe de fonctionnement d'une turbine, nous examinerons le fonctionnement d'une centrale thermique - un lieu où les combustibles fossiles (gaz, charbon, fioul) sont convertis en électricité.
La turbine à vapeur elle-même ne fonctionne pas, elle a besoin de vapeur pour fonctionner. Par conséquent, la centrale électrique commence par une chaudière dans laquelle le combustible est brûlé, dégageant de la chaleur aux tuyaux avec de l'eau distillée pénétrant dans la chaudière. Dans ces tuyaux minces, l'eau se transforme en vapeur.
Un schéma clair du fonctionnement d'une centrale thermique, produisant à la fois de l'électricité et de la chaleur pour chauffer les maisons. Source: Mosenergo
La turbine est un arbre (rotor) avec des pales radialement espacées, comme un gros ventilateur. Un stator est installé derrière chacun de ces disques - un disque similaire avec des pales de forme différente, qui est monté non pas sur l'arbre, mais sur le corps de turbine, et reste donc stationnaire (d'où le nom de stator).
Une paire d'un disque rotatif avec des lames et un stator est appelée une étape. Il y a des dizaines d'étages dans une turbine à vapeur - ne détordez pas l'arbre lourd d'une turbine d'une masse de 3 à 150 tonnes en faisant passer la vapeur sur un seul étage, de sorte que les étages sont regroupés en série pour extraire l'énergie potentielle maximale de la vapeur.
De la vapeur à très haute température et sous haute pression est fournie à l'entrée de la turbine. La pression de vapeur distingue les turbines de basse (jusqu'à 1,2 MPa), moyenne (jusqu'à 5 MPa), haute (jusqu'à 15 MPa), ultra haute (15-22,5 MPa) et supercritique (plus de 22,5 MPa). À titre de comparaison, la pression à l'intérieur de la bouteille de champagne est d'environ 0,63 MPa, dans le pneu d'une voiture particulière - 0,2 MPa.
Plus la pression est élevée, plus le point d'ébullition de l'eau est élevé, ce qui signifie la température de la vapeur. La vapeur surchauffée à 550-560 ° C est fournie à l'entrée de la turbine! Pourquoi tant? En passant à travers la turbine, la vapeur se dilate pour maintenir le débit et perd de la température, vous devez donc avoir une marge. Pourquoi ne pas surchauffer la vapeur au-dessus? Jusqu'à récemment, cela était considéré comme extrêmement complexe et sans signification - le chargement sur la turbine et la chaudière est devenu critique.
Les turbines à vapeur pour centrales électriques ont traditionnellement plusieurs cylindres à pales, dans lesquels de la vapeur à haute, moyenne et basse pression est fournie. Premièrement, la vapeur passe à travers le cylindre haute pression, fait tourner la turbine, et en même temps change ses paramètres à la sortie (baisse de la pression et de la température), après quoi elle entre dans le cylindre moyenne pression, et de là à basse pression. Le fait est que les étapes pour la vapeur avec différents paramètres ont différentes tailles et formes des pales afin d'extraire plus efficacement l'énergie de la vapeur.
Mais il y a un problème - lorsque la température descend au point de saturation, la vapeur commence à saturer, ce qui réduit l'efficacité de la turbine. Pour éviter cela, la vapeur est réchauffée dans la chaudière après le cylindre haut et avant d'entrer dans le cylindre basse pression. Ce processus est appelé surchauffe intermédiaire (surchauffe industrielle).
Il peut y avoir plusieurs cylindres de moyenne et basse pression dans une turbine. De la vapeur peut leur être fournie à la fois par le bord du cylindre, en passant toutes les pales séquentiellement, et au centre, divergeant vers les bords, ce qui uniformise la charge sur l'arbre.
L'arbre rotatif de la turbine est relié à un générateur électrique. Pour que l'électricité dans le réseau ait la fréquence requise, les arbres du générateur et de la turbine doivent tourner à une vitesse strictement définie - en Russie, le courant dans le réseau a une fréquence de 50 Hz et les turbines fonctionnent à 1500 ou 3000 tr / min.
Pour le dire simplement, plus la consommation d'électricité produite par une centrale électrique est élevée, plus le générateur résiste à la rotation, vous devez donc fournir un débit de vapeur plus important à la turbine. Les contrôleurs de vitesse de turbine répondent instantanément aux changements de charge et contrôlent le débit de vapeur afin que la turbine maintienne une vitesse constante. Si la charge baisse dans le réseau et que le régulateur ne réduit pas la quantité de vapeur fournie, la turbine augmentera rapidement la vitesse et s'effondrera - en cas d'un tel accident, les pales pénètrent facilement dans le corps de la turbine, le toit de la centrale thermique et s'envolent à plusieurs kilomètres de distance.
Comment les turbines à vapeur sont nées
Vers le XVIIIe siècle avant JC, l'humanité avait déjà apprivoisé l'énergie des éléments, la transformant en énergie mécanique pour effectuer un travail utile - il s'agissait de moulins à vent babyloniens. Au IIe siècle avant JC. e. des moulins à eau sont apparus dans l'Empire romain, dont les roues étaient entraînées par un flux infini d'eau provenant de rivières et de ruisseaux. Et déjà au 1er siècle après JC e. l'homme a apprivoisé l'énergie potentielle de la vapeur d'eau, avec son aide pour mettre en marche le système créé par l'homme.
L'Eolipilus de Geron d'Alexandrie est la première et la seule turbine à vapeur réactive des 15 prochains siècles. Source: Dictionnaire mécanique américain / Wikimedia
Le mathématicien et mécanicien grec Geron d'Alexandrie a décrit le mécanisme bizarre de l'éolipil, qui est une boule fixée à l'axe avec des tubes qui en émanent à un angle. La vapeur qui est entrée dans la balle de la chaudière bouillante a quitté les tubes avec force, ce qui a entraîné la rotation de la balle. La machine inventée par Heron à cette époque semblait être un jouet inutile, mais en fait, l'ancien scientifique a construit la première turbine à jet de vapeur, dont le potentiel n'a été estimé qu'après quinze siècles. Une réplique eolipil moderne a une vitesse allant jusqu'à 1 500 tr / min.
Au 16ème siècle, l'invention oubliée de Heron a été partiellement répétée par l'astronome syrien Takiyuddin al-Shami, mais au lieu d'une balle, une roue a été entraînée, sur laquelle de la vapeur soufflait directement de la chaudière. En 1629, une idée similaire fut proposée par l'architecte italien Giovanni Branca: un jet de vapeur faisait tourner une roue à aubes, qui pouvait être adaptée pour mécaniser la scierie.
La turbine à vapeur active Branca a fait au moins quelques travaux utiles - elle a «automatisé» deux mortiers.
Malgré la description par plusieurs inventeurs de machines qui convertissent l'énergie de la vapeur en énergie, elle était encore loin d'une mise en œuvre utile - les technologies de l'époque ne permettaient pas de créer une turbine à vapeur avec une puissance pratiquement applicable.
Révolution des turbines
Pendant de nombreuses années, l'inventeur suédois Gustaf Laval a fait naître l'idée de créer un certain moteur capable de faire tourner l'axe à grande vitesse - ce qui était nécessaire pour le fonctionnement du séparateur de lait de Laval. Pendant que le séparateur fonctionnait à partir d'un «entraînement manuel»: un système d'engrenage convertissait 40 tr / min sur la poignée en 7 000 tr / min dans le séparateur. En 1883, Laval réussit à adapter l'éolipil d'Héron en dotant le moteur d'un séparateur de lait. L'idée était bonne, mais les vibrations, le coût élevé et le manque de rentabilité de la turbine à vapeur ont forcé l'inventeur à revenir aux calculs.
La roue de turbine de Laval est apparue en 1889, mais sa conception a survécu à ce jour presque inchangée.
Après des années d'essais pénibles, Laval a pu créer une turbine à vapeur à disque unique active. La vapeur a été fournie à un disque avec des pales de quatre tuyaux avec des buses sous pression. En se dilatant et en accélérant dans les buses, la vapeur a frappé la lame du disque et a ainsi mis le disque en mouvement. Par la suite, l'inventeur a produit les premières turbines disponibles sur le marché d'une puissance de 3,6 kW, des turbines connectées avec des dynamos pour produire de l'électricité, et a également breveté de nombreuses innovations dans la conception des turbines, y compris une partie intégrante d'entre elles comme le condenseur de vapeur à notre époque. Malgré un début difficile, les choses se sont bien passées avec Gustaf Laval: en quittant son ancienne entreprise pour la production de séparateurs, il a fondé une société par actions et a commencé à augmenter la capacité des unités.
Parallèlement à Laval, ses recherches dans le domaine des turbines à vapeur ont été menées par l'Anglais Sir Charles Parsons, qui a pu repenser et compléter avec succès les idées de Laval. Si le premier a utilisé un disque avec des pales dans sa turbine, Parsons a breveté une turbine à plusieurs étages avec plusieurs disques en série, et un peu plus tard, il a ajouté des stators à la structure pour égaliser le débit.
La turbine Parsons avait trois cylindres successifs pour la vapeur haute, moyenne et basse pression avec une géométrie de pale différente. Si Laval s'appuyait sur des turbines actives, Parsons a alors créé des groupes réactifs.
En 1889, Parsons a vendu plusieurs centaines de ses turbines pour l'électrification des villes, et cinq ans plus tard, le navire expérimental Turbinia a été construit, développant une vitesse de 63 km / h auparavant inaccessible pour les machines à vapeur. Au début du XXe siècle, les turbines à vapeur sont devenues l'un des principaux moteurs de l'électrification rapide de la planète.
Maintenant "Turbinia" est exposé dans un musée à Newcastle. Faites attention au nombre de vis. Source: TWAMWIR / Wikimedia
Toshiba Turbines - Un siècle de chemin
Le développement rapide des
chemins de fer électrifiés et de l'industrie textile au Japon a contraint l'État à répondre à l'augmentation de la consommation d'électricité en construisant de nouvelles centrales électriques. Parallèlement, les travaux commencent sur la conception et la production de turbines à vapeur japonaises, dont les premières ont été livrées aux besoins du pays dans les années 1920. Toshiba (dans ces années-là: Tokyo Denki et Shibaura Seisaku-sho) a également rejoint l'affaire.
La première turbine Toshiba est sortie en 1927, elle avait une puissance modeste de 23 kW. En l'espace de deux ans, toutes les turbines à vapeur fabriquées au Japon ont quitté les usines Toshiba et des unités d'une puissance totale de 7 500 kW ont été lancées. Soit dit en passant, pour la
première station géothermique japonaise , ouverte en 1966, Toshiba a également fourni des turbines à vapeur. En 1997, toutes les turbines Toshiba avaient une capacité totale de 100 000 MW et en 2017, les livraisons avaient tellement augmenté que la capacité équivalente était de 200 000 MW.
Cette demande est due à la précision de fabrication. Un rotor pesant jusqu'à 150 tonnes tourne à une vitesse de 3600 tr / min, tout déséquilibre entraînera des vibrations et des accidents. Le rotor est équilibré avec une précision de 1 gramme et les écarts géométriques ne doivent pas dépasser 0,01 mm des valeurs cibles. L'équipement CNC aide à réduire les écarts de production de turbine à 0,005 mm - c'est la différence avec les paramètres cibles parmi les employés de Toshiba qui est considérée comme une bonne forme, bien que l'erreur de sécurité tolérée soit d'un ordre de grandeur plus élevé. De plus, chaque turbine doit subir un test de contrainte à des vitesses accrues - pour les unités à 3600 tr / min, le test fournit une accélération à 4320 tr / min.
Une bonne photo pour comprendre les dimensions des étages basse pression d'une turbine à vapeur. Voici une équipe des meilleurs maîtres de l'usine Toshiba Keihin Product Operations. Source: Toshiba
Efficacité des turbines à vapeur
Les turbines à vapeur sont bonnes en ce sens qu'avec une augmentation de leur taille, la puissance générée et l'efficacité augmentent de manière significative. Il est économiquement beaucoup plus rentable d'installer une ou plusieurs unités dans une grande centrale thermique, à partir de laquelle l'électricité peut être distribuée sur des réseaux longue distance, que de construire des centrales thermiques locales avec de petites turbines avec une puissance de centaines de kilowatts à plusieurs mégawatts. Le fait est qu'avec une diminution de taille et de puissance, le coût d'une turbine en termes de kilowatts augmente parfois, et le rendement diminue de deux ou trois fois.
Le rendement électrique des turbines à condensation avec surchauffe varie au niveau de 35 à 40%. L'efficacité des centrales thermiques modernes peut atteindre 45%.
Si vous comparez ces indicateurs avec les résultats du tableau, il s'avère qu'une turbine à vapeur est l'un des meilleurs moyens de répondre aux grands besoins en électricité. Les moteurs diesel sont une histoire «à la maison», les éoliennes sont coûteuses et de faible puissance, les centrales hydroélectriques sont très coûteuses et géoréférencées, et
les piles à combustible à hydrogène , dont nous avons déjà parlé, sont un moyen nouveau et plutôt mobile de produire de l'électricité.
Faits intéressants
La turbine à vapeur la
plus puissante : un tel titre peut à juste titre être porté par deux produits à la fois - l'allemand Siemens SST5-9000 et la turbine fabriquée par ARABELLE, propriété de l'American General Electric. Les deux turbines à condensation fournissent jusqu'à 1900 MW de puissance. La réalisation d'un tel potentiel n'est possible que dans les centrales nucléaires.
Turbine record Siemens SST5-9000 d'une puissance de 1900 MW. Un record, mais la demande pour une telle puissance est très faible, donc Toshiba se spécialise dans les unités avec la moitié de la puissance. Source: Siemens
La plus petite turbine à vapeur a été créée en Russie il y a quelques années à peine par des ingénieurs de l'Université fédérale de l'Oural - PTM-30, d'un demi-mètre de diamètre seulement, elle a une capacité de 30 kW. Le bébé peut être utilisé pour la production locale d'électricité en utilisant l'excès de vapeur restant d'autres processus afin d'en tirer un avantage économique et non de le rejeter dans l'atmosphère.
Le PTM-30 russe est la plus petite turbine à vapeur au monde à produire de l'électricité. Source: UrFU
L' application la
plus infructueuse d'une turbine à vapeur est celle des turbines à vapeur - locomotives à vapeur dans lesquelles la vapeur de la chaudière pénètre dans la turbine, puis la locomotive se déplace sur des moteurs électriques ou en raison d'une transmission mécanique. Théoriquement, une turbine à vapeur a fourni beaucoup plus d'efficacité qu'une locomotive à vapeur conventionnelle. En fait, il s'est avéré que la locomotive turbo à vapeur ne présente ses avantages, tels que la vitesse élevée et la fiabilité, qu'à des vitesses supérieures à 60 km / h. À des vitesses inférieures, la turbine consomme trop de vapeur et de carburant. Les États-Unis et les pays européens ont expérimenté des turbines à vapeur sur des locomotives, mais la terrible fiabilité et l'efficacité douteuse ont raccourci la durée de vie des turbines à vapeur en tant que classe à 10-20 ans.
La locomotive C&O 500 de la turbine à vapeur de charbon a cassé presque tous les voyages, c'est pourquoi un an après sa sortie, elle a été envoyée pour la ferraille. Source: Wikimedia