turbine.

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turbine. n.f., machine rotative produisant de l'énergie mécanique, grâce à l'effet dynamique
sur son rotor d'un fluide qui se détend. La détente d'un fluide incompressible (liquide),
généralement de l'eau, est un phénomène mécanique simple, sans incidence thermique : une
différence de niveau (énergie potentielle du liquide) provoque un écoulement assorti d'une
mise en vitesse ; l'énergie cinétique ainsi acquise est transférée au rotor de la machine. La
détente d'un fluide compressible (vapeur ou gaz) est, au contraire, un phénomène
thermodynamique complexe au cours duquel une partie de l'enthalpie, ou chaleur totale du
fluide, se transforme en énergie cinétique transférée au rotor, entraînant ainsi un important
refroidissement du fluide qui se détend.

Les turbines hydrauliques.
Dérivées des anciennes roues de moulin à eau, leurs versions modernes ont pris forme
dans la seconde moitié du XIXe siècle. Essentiellement destinées à l'entraînement des
alternateurs dans les centrales hydrauliques, elles relèvent actuellement de trois types
normalisés : les turbines de haute, moyenne et basse chutes. Les turbines de haute chute
(d'environ 200 m à plus de 1 000 m, parfois 2 000) sont des turbines Pelton comportant
essentiellement une roue à augets, dont l'axe est horizontal, soumise à l'action d'un ou de
deux jets, sortant chacun d'un injecteur. L'eau s'y met en vitesse, son débit étant contrôlé
par une aiguille axiale à tête profilée, qui dégage une section de passage variable à
l'intérieur de l'injecteur. Chaque auget est composé de deux calottes creuses adjacentes,
séparées par une arête centrale, sur laquelle le jet se coupe en deux parties, redressées
chacune par l'une des calottes et rejetées latéralement. En cas d'annulation brutale du
couple résistant sur l'arbre de la turbine (déclenchement électrique de l'alternateur entraîné
par exemple), il est généralement impossible d'assurer la refermeture de l'aiguille dans un
temps suffisamment bref pour éviter l'emballement de la ligne d'arbre (une fermeture trop
rapide provoquerait un coup de bélier, destructeur de la conduite forcée alimentant la
turbine). Ce problème est résolu par un déflecteur robuste, qui vient alors intercepter
transitoirement le jet, annulant ainsi le couple moteur et laissant à l'aiguille de contrôle le
temps de se fermer lentement. Les grosses turbines Pelton ont des puissances légèrement
supérieures à 200 MW. Les turbines de moyenne chute (de 200 à 30 m environ) sont des
turbines Francis, possédant une roue centripète dont l'axe est vertical, analogue à une
roue de pompe centrifuge. L'arrivée d'eau se fait dans un tore qui entoure la roue et
l'alimente, sur toute sa périphérie, par l'intermédiaire d'un distributeur à aubes orientables
contrôlant le débit admis. À la sortie du diffuseur, l'eau entre dans la roue
perpendiculairement à son arbre, se détend dans les aubages tout en étant réorientée et
sort de la roue axialement, vers le bas. Des turbines Francis qui atteignent des puissances
unitaires de 500 MW ont été réalisées. Les turbines de basse chute sont des turbines
hélices, généralement du type Kaplan à pales inclinables, permettant ainsi d'adapter les
turbines à une variation de la hauteur de chute. Elles peuvent être disposées comme les
turbines Francis (axe vertical) avec un distributeur centripète de même type, ou équiper
des groupes bulbes à axe horizontal, le flux de liquide circulant autour d'un bulbe contenant
l'alternateur et traversant un distributeur, lui-même hélicoïdal, avant d'attaquer la roue. De
tels bulbes équipent l'usine marémotrice de la Rance ; l'inclinabilité des pales de la roue est
alors essentielle pour adapter en permanence la turbine à une hauteur de chute
essentiellement variable, et même pour transformer transitoirement la turbine en pompe.
Voir marémoteur.
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Les corrélats
techniques (histoire des) - La Renaissance et l'âge classique
Les livres
alternateur, page 184, volume 1
turbine - roue de turbine hydraulique Francis, page 5303, volume 10

Les turbines à vapeur.
Ce sont les plus répandues des turbines. Elles font appel à un fluide compressible. Les plus
importantes (jusqu'à 1 800 MW) équipent les centrales électriques thermiques ou
nucléaires. Les plus petites entraînent des pompes ou des compresseurs industriels. La
vapeur alimentant la turbine provient d'une chaudière à combustion (charbon, fioul ou gaz)
ou d'une chaudière nucléaire. À l'inverse des turbines hydrauliques, sur lesquelles la détente
du fluide se fait en un seul étage, la détente de la vapeur s'effectue axialement dans un
grand nombre d'étages en série ; elle traverse alternativement des ailettes distributrices
fixes, solidaires du stator, et des ailettes réceptrices mobiles, solidaires du rotor. Cette
détente est généralement poussée jusqu'à un vide d'environ 97 %, correspondant à la
tension de la vapeur qui se condense à une température proche de la température
ambiante. Des soutirages sont effectués le long de la ligne de détente pour réchauffer l'eau
retournant à la chaudière (voir le dossier centrales). Le volume massique très élevé de la
vapeur sous-vide impose le fractionnement de la détente finale entre plusieurs corps basse
pression en parallèle. La détente de la vapeur peut être localisée dans les ailettes
distributrices, les ailettes réceptrices jouant alors un rôle de simple déflecteur ; la turbine
est alors dite à action. La détente peut également être répartie entre les ailettes
distributrices et les ailettes réceptrices (généralement de façon équilibrée) ; la turbine est
alors dite à réaction. L'étage d'admission des turbines à réaction est cependant toujours un
étage à action, permettant d'effectuer une admission partielle de la vapeur entrante sur
des arcs successifs de la première roue, chaque arc étant alors desservi par une soupape
de réglage individuelle (une telle admission partielle est impossible sur une roue soumise à
une différence de pression amont-aval). Les turbines à vapeur intégrées dans des
systèmes consommant de la vapeur à pression modérée peuvent comporter un ou
plusieurs soutirages intermédiaires réglés, alimentant un ou plusieurs réseaux de vapeur
basse pression. Dans certains cas, la détente s'arrête au niveau du réseau à pression la
plus basse (absence de condenseurs) ; il s'agit alors de turbines dites à contre-pression.
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Les livres
turbine - rotor de haute et moyenne pression équipant une turbine à vapeur de
1500 MW, page 5303, volume 10

Les turbines à gaz.
De petites turbines à gaz à roue centripète détendent les gaz industriels dans les cycles de
liquéfaction (voir liquéfacteur). Leur rôle de production d'énergie est alors secondaire :
elles servent essentiellement à extraire de l'énergie calorifique du cycle de liquéfaction. Il
existe également des turbines à gaz industrielles récupérant de l'énergie à l'issue d'un
processus chimique se déroulant en phase gazeuse sous pression (production d'acide
nitrique par exemple). Mais on appelle plus généralement turbines à gaz des ensembles
complexes et autonomes de production d'énergie, constitués chacun par un compresseur
d'air axial alimentant des chambres de combustion (à gaz ou à gasoil), d'où les gaz chauds
sous pression sortent en se détendant sur une turbine à un ou à deux étages. Cette
turbine fournit à la fois l'énergie mécanique appelée par son propre compresseur d'air et
l'énergie appelée par la machine entraînée. Les plus grosses turbines à gaz, généralement
affectées à l'entraînement d'un alternateur, atteignent aujourd'hui 200 MW. La
température de sortie des chambres de combustion est proche de 1 000 o C. La
température encore très élevée des gaz d'échappement après détente permet différents
types de récupération thermique. Certaines turbines comportent deux étages tournant à
deux vitesses différentes : l'un entraîne le compresseur d'air desservant la turbine, l'autre
entraîne à vitesse plus faible la machine réceptrice.
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Les médias

fusée
Les livres
turbine à gaz de 212 MW, page 5303, volume 10
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Les corrélats
action - 3.MÉCANIQUE
alternateur
bélier (coup de)
centrales - Les centrales hydrauliques - Les centrales de basse chute
centrales - Les centrales hydrauliques - Les centrales de haute chute
centrales - Les centrales hydrauliques - Les centrales de moyenne chute
centrales - Les centrales thermiques - Les centrales à turbine à gaz
centrales - Les centrales thermiques - Les centrales mixtes à turbine à vapeur et à
turbines à gaz
centrales - Les centrales thermiques - Les centrales thermiques à vapeur
chaudière à vapeur
désalinisation
détente - 1.PHYSIQUE
énergie - Les différentes formes de l'énergie
hélice - 2.TECHNIQUE
liquéfacteur
machine
marémoteur
moteur - Les moteurs d'avions et de fusées
Parsons (sir Charles Algernon)
Pelton Lester Allen
pompe
Rateau Auguste
techniques (histoire des) - La Renaissance et l'âge classique
techniques (histoire des) - La révolution industrielle
turboalternateur
turbocompresseur
turbopompe
Les livres
coupleur, page 1296, volume 3
techniques (histoire des) - projet de turbine à vapeur entraînant un broyeur (XVIIe
siècle), page 5082, volume 9