Vapeur qui refroidi la turbine ?

[dav999]

Bonjour à toutes et à tous,

j'avais une question sur les turbines à vapeur (industrielles) et en particulier sur leur fonctionnement interne.

Après avoir discuté avec une personne, elle me dit que ça peut paraître complètement intuitif mais la vapeur passant à travers la turbine sert en plus de créer l'énergie mécanique pour faire tourner l'arbre, à refroidir la turbine !

Nous avons débattus de ce sujet, car je disais que l'huile de lubrification servait en plus de lubrifier, à refroidir les paliers de la conduction thermique apportée par la vapeur.
Lui me répond que ce n'est pas entièrement vrai.
Il me dit que les frottements et l'énergie mécanique dissipée dans la turbine font que le débit de vapeur doit être assez important pour refroidir la turbine.
J'ai bien en tête que toutes les turbines sur lesquelles j'ai déjà travaillé, quand elles fonctionnaient à basse charge, la température de vapeur à l'échappement était toujours plus élevée qu'au nominal. J'ai toujours mis cela sur le compte de l'efficacité de la turbine moindre dans ces conditions (= transfert enthalpique/d'énergie moins efficace), mais si ce qu'il me dit est réel cela pourrait expliqué cette température plus élevée à l'échappement.

Pouvez-vous me dire ce que vous en pensez ?
Est-ce qu'à votre avis les frottements mécaniques dans la turbine ont un réel impact sur la température de vapeur à l'échappement ?

Merci d'avance pour votre aide.
Bonne journée.
David
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[f6bes]

Bjr à toi,Tout dépend des TEMPERATURES des ...piéces et des gaz.
Tout ce qui produit de la chaleur le "transmettra" à ce qui est plus "froid" que lui.
Si la température de vapeur est PLUS faible que la température du palier.....alors la " vapeur"
refroidira le palier.
Si c'est le contraire....ben la vapeur réchauffera le palier.
Bonne journée

[XK150]

Salut ,

Il y a un peu de vrai dans l'affirmation de votre collègue , mais c'est mal exprimé et il y a confusion , je ne suis pas spécialiste , je vous propose ceci en attendant mieux :

Dans les turbines à plusieurs étages de vitesses , les pertes de charge sont proportionnelles au carré de la vitesse de circulation de la vapeur , il en résulte de fortes pertes d'énergie dans les premières couronnes
d'ailettes réceptrices ou redresseuses , la vitesse de sortie est diminuée , l'énergie cinétique dissipée se retrouve sous forme d'échauffement , la vapeur se surchauffe au cours de la détente , ce phénomène évite la condensation mais diminue le rendement ( Carnot ) , env . 10% de pertes sur la première roue .

Dit autrement ( commentaire d'un exercice de cours ) : Les 15% de puissance mécanique manquante sur l'arbre par rapport à une turbine parfaitement isentropique ,
sont transférés sous forme de chaleur et turbulences à la vapeur pendant sa détente dans la turbine .

On ne peut pas dire clairement que l'on refroidit la turbine et ce ne sont pas des frottements purement mécaniques , heureusement ...

[phys4]

J'ai bien en tête que toutes les turbines sur lesquelles j'ai déjà travaillé, quand elles fonctionnaient à basse charge, la température de vapeur à l'échappement était toujours plus élevée qu'au nominal. J'ai toujours mis cela sur le compte de l'efficacité de la turbine moindre dans ces conditions (= transfert enthalpique/d'énergie moins efficace), mais si ce qu'il me dit est réel cela pourrait expliqué cette température plus élevée à l'échappement.

Bonjour, en effet l'énergie mécanique donnée par la turbine est prélevée sur la chaleur transportée par la vapeur, et si la turbine ne fonctionne pas à sa vitesse optimale, la vapeur sort plus chaude.
La vapeur a peu d'effet sur la température des paliers, il faut une circulation d'huile suffisante pour les refroidir.
La température d'admission de vapeur peut être très élevée : 300°C à 400°C

[A voir en vidéo sur Futura]

[SULREN]

Bonsoir,

La température d'admission de vapeur peut être très élevée : 300°C à 400°C

En 1970 j'étais jeune ingénieur de mise en route en centrales thermiques (des 250 MW à l'époque) fonctionnant au fioul lourd ou au charbon pulvérisé et je le souviens que la vapeur surchauffée arrivait an corps HP de la turbine à 165 bars et 565 °C. Ces valeurs étaient atteintes dans les centrales EDF dès 1963.
En sortie du corps HP (haute pression) est retournait à la chaudière se faire resurchauffer à la même température et revenait, à une pression bien sûr plus faible, en entrée du corps MP (moyenne pression) cette fois.

Avec les progrès réalisés depuis sur les métaux, on doit probablement pouvoir fonctionner à des températures plus élevées aujourd'hui.... à la limite de tuyaux au rouge sombre (pas visible car calorifugés).

Je ne comprends pas très bien cette préoccupation: est-ce l'huile qui refroidit ou la vapeur.
Je regarderai dans:

Le fascicule EDF n° 13
LES TURBINES A VAPEUR
Notice technique sur les centrales thermiques
Service de la Production Thermique.

J'ai encore dans ma bibliothèque toute une collection de ces fascicules EDF , Service de la Production Thermique.....même si c'est passé de mode.

[SULREN]

Bonjour,

Après avoir discuté avec une personne, elle me dit que ça peut paraître complètement intuitif mais la vapeur passant à travers la turbine sert en plus de créer l'énergie mécanique pour faire tourner l'arbre, à refroidir la turbine !

Le corps de la turbine ne chauffe pas de lui-même, spontanément. Il est chauffé par la vapeur. Alors comment irait-elle le refroidir « en même temps ». De plus, si nous n’apprécions pas cet échauffement, pourquoi irions nous calorifuger les corps des turbines fin d’éviter qu’elles perdent des calories (au moins les corps HP et MP)?

La "personne" qui voit la vapeur refroidir la mécanique pense peut-être aux paliers qui, eux, peuvent s’échauffer du fait de leur rotation (on sait que les paliers à roulements à billes peuvent chauffer dangereusement, et on prend soin de les surveiller.
Mais les paliers de turbines à vapeur sont des paliers lisses, tournant toujours sur film d’huile sous pression qui soulève le rotor, et d’infinies précautions sont prises pour maintenir cette huile sous pression : pompes mécaniques attelées à l’arbre lui-même, pompe de secours à courant alternatif, pompe à courant continu, etc. On surveille aussi leur température par des thermocouples.

Cette huile chauffe sous l’effet des frottements visqueux. Elle circule en permanence et passe dans des filtres et des échangeurs de refroidissement. Elle ne voit pas le flux de vapeur qui est en train de travailler dans la turbine et elle ne peut être ni échauffée, ni refroidie par elle.
Entre la partie du rotor qui porte les roues à ailettes et qui baigne dans la vapeur, et le palier lisse qui baigne dans l’huile sous pression, il y a toujours une zone de labyrinthes d’étanchéité parcourue par un filet de vapeur qui se détend (donc refroidit) et qui arrive au palier lisse avec une pression inférieure à celle de l’huile.

Voici des photos de ces éléments sur une turbine (grand-mère) de 125 MW, très probablement fabriquée à Belfort….dans une usine que l’auteur ce cette discussion connait probablement.

[dav999]

Bonjour à tous, merci pour vos réponses.

Je me permet de faire une réponse globale à tous les commentaires.

Premièrement, je me corrige, il fallait lire :
Après avoir discuté avec une personne, elle me dit que ça peut paraître complètement contre-intuitif mais la vapeur passant à travers la turbine sert en plus de créer l'énergie mécanique pour faire tourner l'arbre, à refroidir la turbine !

Je pense que la réponse à ma question se situe ici :
Dit autrement ( commentaire d'un exercice de cours ) : Les 15% de puissance mécanique manquante sur l'arbre par rapport à une turbine parfaitement isentropique ,sont transférés sous forme de chaleur et turbulences à la vapeur pendant sa détente dans la turbine .

Petite précision, je pensais dans mon message, aux turbines connectées à un alternateur, de ce fait, la vitesse du rotor de la turbine est "fixée" par la fréquence du réseau quand l'alternateur est connecté à celui-ci. Il n'y a donc pas de variation de celle-ci. Par contre on a bien une variation de charge de la turbine (plus ou moins de débit de vapeur). J'imagine que plus la charge de la turbine est élevée, plus la vitesse vapeur à l'intérieur est élevée, est ce que cela a une incidence sur la température de la vapeur au niveau de chaque aubage ?

Et malheureusement, je ne travaille pas chez Alstom/GE, sinon j'imagine avoir accès aux documents techniques de formation .

Je crois avoir compris comment cela fonctionne avec l'histoire du transfert d'énergie en fonctionnement à basse charge.
Théoriquement la vitesse de la vapeur devrait être du double de la vitesse de rotation des roues (étages à action), pour fournir le maximum de travail (couple) à la roue.
Si la vitesse de la vapeur est plus faible (ce qui est le cas à basse charge) le couple sera moindre et une partie de l'énergie de chaleur ne sera pas convertie en énergie mécanique, d'où une température de la vapeur plus élevée qu'au nominal.

Du coup, je rebondi sur les histoires de surchauffe vapeur (@XK150), en fait la resurchauffe a lieu à cause de la diminution de pression à travers les étages de la turbine (c'est bien cela que tu souhaitais que je comprenne ?).

Et au sujet des températures vapeur surchauffées, de ce que je sais, elles sont toujours limitées à 565°C au maximum en admission. La resurchauffe est identique à ce que tu décris Sulren.
Bref on a pas révolutionné encore cette techno .

Merci à tous pour vos retours, ils m'ont aidés à mettre en ordre tout ce que j'avais en tête.
Bonne journée.
David

[XK150]

Les 565 ° C sont dépassées dans les " ultra supercritiques turbines à vapeur " .
Au Danemark , Avedore 2 fonctionne à 580° avec la resurchauffe à 600 ° :https://www.power-technology.com/projects/avedore/ , et ce depuis 2001 , donc fiable .
Aux US , on est à 620 - 640 ° .
En Europe , projet à 700° - 350 bars ,
Aux US , projet à 760° ... https://www.powerengineeringint.com/...le-boundaries/

[dav999]

J'ai trouvé un document intéressant, je vous le met en copie, il pourra peut-être utile à quelqu'un.
C'est la traduction française partielle d'un doc en anglais.

J'ai un peu de mal avec la phrase en gras.
J'avais toujours en tête que c'est l'énergie de pression qui est transformée en énergie cinétique et utilisée sur les roues à action.
Sur les roues à réaction, j'ai en tête que c'est la différence de pression créée de part de d'autre de l'ailette qui créée la "force de portance" qui permet à la roue de tourner.
Même si je comprends que si la température de la vapeur est trop basse, l'enthalpie dispo est plus faible et donc l'énergie dispo globalement pour maintenir un flux de vapeur à haute vitesse tout au long de la turbine.

Si quelqu'un pouvait complémenter ?
Merci

---

Aux charges partielles, le flux de vapeur vers la turbine est étranglé par les vannes de régulation (vannes de contrôle HP). La pression d'entrée de la turbine diminue en même temps que le débit de vapeur.
Par conséquent, les pressions entre étages sont également réduites. Il s'avère que, sauf pour de très petites charges, toutes les pressions inter-étages sont assez bien proportionnelles à la charge de la turbine.
Par exemple, à 70 % de la pleine puissance, les pressions interétagées sont d'environ 70 % de leur valeur à pleine puissance.
La pression à la sortie de la turbine (approximativement égale à la pression du condenseur) varie beaucoup moins avec la charge de la turbine et, pour simplifier, on suppose ici qu'elle reste constante sur toute la plage de charge.

De nombreux facteurs, tels que les dépôts sur les aubes ou l'humidité dans la vapeur, peuvent réduire l'efficacité d'un étage de turbine. Parmi ces facteurs, la charge de la turbine est très importante car elle peut entraîner une détérioration du schéma d'écoulement dans certains étages de turbine.
Vous vous demandez peut-être ce que signifie ce terme de schéma d'écoulement. Il fait essentiellement référence à la direction et à la vitesse du flux de vapeur par rapport aux aubes de la turbine.
Pour un fonctionnement efficace, la configuration du flux de vapeur doit correspondre à la forme et à la vitesse des aubes. Si cette condition n'est pas remplie, le rendement diminue. Par exemple, cela se produit lorsque la vapeur entre en collision avec les aubes au lieu de s'écouler régulièrement sur leur surface.
Comme la forme et la vitesse des pales restent constantes, il n'y a qu'un seul modèle d'écoulement qui leur corresponde le mieux possible. Lorsque cela se produit, l'étage fonctionne avec une efficacité maximale. Tout écart par rapport à ce schéma d'écoulement doit entraîner une diminution de l'efficacité de la platine.

Le schéma d'écoulement dans un étage de turbine dépend de la vitesse de la vapeur, et donc de son énergie cinétique. Rappelons que cette énergie provient de la chaleur. Moins il y a de chaleur disponible par kilogramme de vapeur, plus la vapeur s'écoule lentement.
Lorsque la chaleur disponible est fortement réduite, la vapeur se déplace trop lentement pour pouvoir entraîner les aubes mobiles. Pire encore, la vapeur retarde le mouvement des lames. Le brassage de la vapeur par les pales produit une chaleur de friction, communément appelée pertes par enroulement. Notez que ces
Les pertes peuvent être importantes en raison de la vitesse élevée des pales en mouvement.
Comme la vapeur retarde le mouvement des pales, l'étage doit être entraîné, soit par les autres étages de la turbine, soit par le générateur (pendant la marche).

Cela a un effet profond sur les performances des différents étages. Comme tous les étages, sauf les derniers, fonctionnent à un rapport de pression constant, leur chaleur disponible (par kilogramme de vapeur) ne change pas. Par conséquent, le schéma d'écoulement dans ces étages ne se détériore pas.
Il va sans dire que leur efficacité reste à peu près constante.

Mais dans le dernier étage, le rapport de pression, et donc la chaleur disponible, diminue lorsque la charge de la turbine est réduite. Graduellement, le schéma d'écoulement se détériore comme le montre la figure suivante.
Notez qu'un flux positif (c'est-à-dire vers l'échappement) n'est conservé que dans la zone extérieure des pales, tandis qu'une recirculation intensive se produit dans la zone restante.
Pourquoi ?
À faible charge/à vide, le flux de vapeur de la turbine est fortement réduit. Dans le dernier étage, dont la pression de sortie (et donc la densité de la vapeur) ne varie pas beaucoup avec la charge de la turbine, cela entraîne une réduction significative du débit volumétrique.
Pour ce débit, les aubes sont tout simplement trop longues.
En raison de l'action des forces centrifuges, le flux positif n'occupe que la région extérieure des aubes. La vapeur dans la zone restante est brassée par les pales et recircule comme le montre le schéma ci-dessous.


Il convient de souligner qu'un mauvais schéma d'écoulement dans les derniers étages crée plus de problèmes opérationnels que la simple réduction du rendement de la turbine. Tout d'abord, les pertes de vent importantes produisent tellement de chaleur qu'un système de refroidissement spécial est nécessaire pour éviter la surchauffe des gaz d'échappement de la turbine à gaz. Deuxièmement, le flux devient si turbulent qu'il peut induire une vibration excessive des pales.
Ces problèmes opérationnels importants sont discutés en détail dans d'autres modules de ce cours ; à partir de la description ci-dessus du fonctionnement du dernier étage, vous pouvez comprendre pourquoi ils peuvent se produire.

Notez qu'une mauvaise dépression du condenseur aggrave ces problèmes car elle réduit encore le rapport de pression déjà faible dans la ou les dernières étapes, contribuant ainsi à la détérioration du schéma d'écoulement.

[dav999]

Je me réponds à moi-même, je viens de regarder les courbes d'une turbine en fonctionnement dans une usine (c'est une usine d'incinération, ne soyez pas étonnés de la puissance de la turbine).

Ce que j'écris ci-dessous semble être soit une bêtise, soit l'impact est négligeable !
Il semblerait donc que la recirculation de la vapeur au niveau des dernières roues soit vraiment l'effet qui impact le plus la température à l'échappement.
Le schéma suivant était dans le texte original traduit en français et je ne l'ai pas inclus dans le message initial ce qui pouvait porter à confusion.
TGU last stage flow patterns at various loads.PNG

Ici on peut voir le graphique d'une turbine à faible charge, puis en "full speed no load".
TGU Beddington low load - exhaust tmp high.jpg

FSNL:
TGU Beddington full speed no load - exhaust tmp high.jpg


Pour info, voici les caractéristiques de la turbine/vapeur et la description des valeurs sur les graphiques:
The steam turbine characteristics is the following:

• Nominal steam pressure: 57 bar(g)
• Nominal steam temperature: 397°C
• Nominal exhaust pressure: 0.135 bar(a)
• Maximal output: 30MW

Description of values:

• 0MKA10CE0001XQ01:av (dark blue solid line) - Generator active power (TGU set electricity produced) in MW
• 0LBE10CT902:av (dark green solid line) - TGU exhaust temperature, before condenser in °C
• 0LBE10CP901:av (orange solid line) - TGU exhaust pressure, before condenser in mbar(a)
• 0LBA10CP002XQ01:av (pink solid line) - Live steam pressure inlet TGU in bar(g)
• 0LBA10CT901XQ01:av (black solid line) - Live steam temperature inlet TGU in °C
• 0MAC10CT901XQ01:av (brown solid line) - TGU before last blade temperature in °C
• 0LCE10AA055:s (yellow solid line) - Exhaust condensate injection valve (after last blade) (open/closed)
• 0MAD10CS901XQ01:av (purple doted line) - Turbine rotor speed in rpm

Je crois avoir compris comment cela fonctionne avec l'histoire du transfert d'énergie en fonctionnement à basse charge.
Théoriquement la vitesse de la vapeur devrait être du double de la vitesse de rotation des roues (étages à action), pour fournir le maximum de travail (couple) à la roue.
Si la vitesse de la vapeur est plus faible (ce qui est le cas à basse charge) le couple sera moindre et une partie de l'énergie de chaleur ne sera pas convertie en énergie mécanique, d'où une température de la vapeur plus élevée qu'au nominal.