Turbine radiale - Radial turbine

Une turbine radiale est une turbine dans laquelle l'écoulement du fluide de travail est radial par rapport à l'arbre. La différence entre les turbines axiales et radiales réside dans la façon dont le fluide circule à travers les composants (compresseur et turbine). Alors que pour une turbine axiale, le rotor est « impacté » par le flux de fluide, pour une turbine radiale, le flux est orienté en douceur perpendiculairement à l'axe de rotation et entraîne la turbine de la même manière que l'eau entraîne un moulin à eau . Le résultat est moins de contraintes mécaniques (et moins de contraintes thermiques, en cas de fluides de travail chauds), ce qui permet à une turbine radiale d'être plus simple, plus robuste et plus efficace (dans une plage de puissance similaire) par rapport aux turbines axiales. Lorsqu'il s'agit de gammes de puissance élevée (supérieures à 5 MW ) la turbine radiale n'est plus compétitive (en raison de son rotor lourd et coûteux) et le rendement devient similaire à celui des turbines axiales.

Avantages et défis

Par rapport à une turbine à écoulement axial , une turbine radiale peut utiliser un rapport de pression relativement plus élevé (≈4) par étage avec des débits inférieurs. Ainsi, ces machines se situent dans les plages de vitesse et de puissance spécifiques inférieures. Pour les applications à haute température, le refroidissement des pales de rotor dans les étages radiaux n'est pas aussi facile que dans les étages de turbine axiale. Les aubes de tuyère à angle variable peuvent donner des rendements d'étage plus élevés dans un étage de turbine radiale même à un fonctionnement hors conception. Dans la famille des hydro-turbines, la turbine Francis est une turbine IFR très connue qui génère une puissance beaucoup plus importante avec une turbine relativement grande.

Composants des turbines radiales

• 

  Étage de turbine radiale à flux entrant à 90 degrés

• 

  Triangles de vitesse pour un étage de turbine radiale à flux entrant (IFR) avec aubes en porte-à-faux

Les composantes radiale et tangentielle de la vitesse absolue c ₂ sont respectivement c _r2 et c _q2 . La vitesse relative de l'écoulement et la vitesse périphérique du rotor sont respectivement w ₂ et u ₂ . L'angle d'air à l'entrée des pales du rotor est donné par

${\displaystyle \,\tan {\beta _{2}}={\frac {c_{r2}}{c_{\theta 2}-u_{2}}}}$

Diagramme d'enthalpie et d'entropie

L'état de stagnation du gaz à l'entrée des tuyères est représenté par le point 01. Le gaz se détend adiabatiquement dans les tuyères d'une pression p ₁ à p ₂ avec une augmentation de sa vitesse de c ₁ à c ₂ . Puisqu'il s'agit d'un processus de transformation d'énergie, l'enthalpie de stagnation reste constante mais la pression de stagnation diminue (p ₀₁ > p ₀₂ ) en raison des pertes. Le transfert d'énergie accompagné d'un processus de transformation d'énergie se produit dans le rotor.

Vitesse de jaillissement

Une vitesse de référence (c ₀ ) appelée vitesse isentropique, vitesse de jaillissement ou vitesse terminale d'étage est définie comme la vitesse qui sera obtenue lors d'une détente isentropique du gaz entre les pressions d'entrée et de sortie de l'étage.

${\displaystyle \,C_{0}={\sqrt {2C_{p}\,T_{01}\,\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}} \right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}}$

Efficacité scénique

L' efficacité totale à statique est basée sur cette valeur de travail.

${\displaystyle {\begin{aligned}\eta _{\text{ts}}&={\frac {h_{01}-h_{03}}{h_{01}-h_{3ss}}}={\ frac {\psi \,u_{2}^{2}}{C_{p}\,T_{01}\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}} \right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}\end{aligned}}}$

Degré de réaction

La pression relative ou la chute d'enthalpie dans la buse et les pales du rotor sont déterminées par le degré de réaction de l'étage. Ceci est défini par

${\displaystyle R={\frac {\text{chute d'enthalpie statique dans le rotor}}{\text{chute d'enthalpie de stagnation dans le stade}}}}$

Les deux quantités entre parenthèses dans le numérateur peuvent avoir des signes identiques ou opposés. Ceci, en plus d'autres facteurs, régirait également la valeur de la réaction. La réaction de l' étape diminue lorsque C _{& thetav 2} augmente , car il en résulte une grande partie de la chute d'enthalpie de phase se produisent dans l'anneau de buse.

Pertes d'étape

Le travail de l'étage est inférieur à la chute d'enthalpie de l'étage isentropique en raison des pertes aérodynamiques dans l'étage. La sortie réelle à l'arbre de la turbine est égale au travail d'étage moins les pertes dues au frottement du disque de rotor et des roulements.

Rapport de vitesse de lame à gaz

Le rapport de vitesse pale/gaz peut être exprimé en termes de vitesse terminale de l'étage isentropique c ₀ .

${\displaystyle \,\sigma _{s}={\frac {u_{2}}{c_{0}}}=[2(1+\phi _{2}\cot {\beta _{2}} )]^{-{\frac {1}{2}}}}$

pour

β ₂ = 90 ^o

σ _s 0,707 ≈

Étages radiaux à flux sortant

Dans les étages de turbine radiale à flux sortant, le flux de gaz ou de vapeur se produit à partir de diamètres plus petits vers plus grands. La scène se compose d'une paire de pales fixes et mobiles. L'aire croissante de la section transversale à des diamètres plus grands s'adapte au gaz en expansion.

Cette configuration n'est pas devenue populaire avec les turbines à vapeur et à gaz. La seule qui est plus couramment employée est la turbine de type Ljungstrom à double rotation . Il se compose d'anneaux de pales en porte-à-faux saillant de deux disques tournant dans des directions opposées. La vitesse périphérique relative des aubes de deux rangées adjacentes, l'une par rapport à l'autre, est élevée. Cela donne une valeur plus élevée de chute d'enthalpie par étape.

La turbine radiale sans pale de Nikola Tesla

Au début des années 1900, Nikola Tesla a développé et breveté sa turbine Tesla sans lame . L'une des difficultés des turbines aubagées réside dans les exigences complexes et très précises pour l'équilibrage et la fabrication du rotor aubagé qui doit être très bien équilibré. Les aubes sont sujettes à la corrosion et à la cavitation . Tesla a attaqué ce problème en substituant une série de disques rapprochés aux pales du rotor. Le fluide de travail circule entre les disques et transfère son énergie au rotor par effet de couche limite ou par adhérence et viscosité plutôt que par impulsion ou réaction. Tesla a déclaré que sa turbine pouvait atteindre des rendements incroyablement élevés grâce à la vapeur. Il n'y a eu aucune preuve documentée que les turbines Tesla atteignent les efficacités revendiquées par Tesla. Ils se sont avérés avoir un faible rendement global dans le rôle d'une turbine ou d'une pompe. Au cours des dernières décennies, de nouvelles recherches ont été menées sur les turbines sans pales et le développement de conceptions brevetées fonctionnant avec des matériaux corrosifs/abrasifs et difficiles à pomper tels que l'éthylène glycol, les cendres volantes, le sang, les roches et même les poissons vivants.

Remarques

Les références

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