Turbine à vapeur

Dans une turbine à vapeur, la vapeur se détend à travers des rangées d'aubes fixes et mobiles : sa pression devient vitesse, et cette vitesse fait tourner un arbre. Charles Parsons en a accouplé une à une dynamo en 1884 ; ses descendantes entraînent aujourd'hui les alternateurs qui produisent la plus grande partie de l'électricité mondiale.

Ce que c’est

Une turbine à vapeur est une roue mue par la vapeur, sans piston ni bielle. La vapeur traverse des rangées d’aubes disposées autour d’un arbre et quitte la machine à une pression bien plus basse ; l’énergie qu’elle cède en chemin fait tourner l’arbre. Le mouvement est régulier et rapide, ce qui convient à un générateur électrique.

Les centrales au charbon et nucléaires font bouillir de l’eau pour les entraîner. Les centrales au gaz à cycle combiné produisent de la vapeur avec l’échappement brûlant d’une turbine à gaz, et les centrales solaires thermiques comme la plupart des centrales géothermiques font de même avec la chaleur du soleil ou du sous-sol. Toutes ensemble, elles font de la turbine à vapeur la source de la plus grande partie de l’électricité mondiale.

Comment ça marche

La vapeur cède son énergie en se détendant. Dans une tuyère, un passage qui se rétrécit, sa pression baisse et elle accélère. Au point le plus étroit, le col, elle peut atteindre la vitesse du son ; pour aller plus vite, il lui faut un passage qui s’élargit après le col : c’est la forme évasée des tuyères de Laval. À chaque étage, une couronne d’aubes fixes sur le carter sert de série de tuyères et projette la vapeur sur une couronne d’aubes mobiles, courbes, portées par le rotor : elles dévient le jet, et cette déviation les pousse.

La roue à action de Laval : des tuyères évasées envoient leurs jets à travers une seule couronne d’aubes.

Dans un étage à action, presque toute la chute de pression a lieu dans les tuyères fixes, et les aubes mobiles ne font que recevoir le jet. Dans un étage à réaction, celui que Parsons a choisi, les canaux entre les aubes mobiles se rétrécissent aussi : la vapeur continue de se détendre en les traversant et les repousse en sortant. Dans un étage Parsons, la détente se partage à peu près à égalité entre la couronne fixe et la couronne mobile.

Libérée d’un coup dans une seule tuyère, une forte chute de pression donne un jet de plus de 1 000 mètres par seconde. Or les aubes travaillent le mieux à environ la moitié de la vitesse du jet : une roue unique doit alors tourner dangereusement vite et passer par un réducteur. Parsons a découpé la chute en nombreuses petites marches, si bien que l’arbre tourne à une vitesse utilisable par une dynamo.

À mesure que la pression baisse, la vapeur occupe plus de place : les aubes s’allongent vers l’échappement, jusqu’à 1,9 mètre au dernier étage des turbines construites pour Hinkley Point C, en Angleterre.

La vapeur rejetée à l’air libre cesse de se détendre à la pression atmosphérique. Un condenseur, une enceinte de tubes refroidis par l’eau d’une rivière, de la mer ou d’une tour aéroréfrigérante, liquéfie la vapeur d’échappement et maintient un vide presque complet à la sortie de la turbine : la vapeur peut ainsi se détendre et travailler davantage dans la turbine avant d’être condensée. Les premières turbines à condensation de Parsons, à Cambridge en 1892, valaient les meilleures machines à piston de leur puissance.

Cette boucle s’appelle le cycle de Rankine : une pompe refoule l’eau dans la chaudière, qui la vaporise ; la vapeur se détend dans la turbine, puis le condenseur la ramène à l’état d’eau pour la pompe. Comprimer un liquide coûte peu à côté de ce que rend la vapeur, d’où un travail net. La pompe descend de la pompe à piston, la chaudière et le condenseur de la machine à vapeur ; un réfrigérateur fait tourner une boucle voisine en sens inverse.

Sur un réseau à 50 hertz, un alternateur bipolaire monté sur l’arbre tourne à 3 000 tours par minute, à 3 600 sur un réseau à 60 hertz. Des transformateurs élèvent ensuite la tension pour les lignes.

Comment s’y prendre

Une turbine de centrale est alimentée par une chaudière, c’est-à-dire un appareil sous pression : n’en fabriquez pas. Ce modèle marche à l’air. Il faut un moule à tarte jetable en aluminium, deux bouchons de liège, une aiguille à tricoter, des pailles, une boîte en carton, de la colle, et un sèche-cheveux réglé sur l’air froid ou une pompe à vélo.

Découper une roue à aubes. Tracer un disque de 10 cm. Faire 12 à 16 entailles depuis le bord en s’arrêtant à 2 cm du centre, puis tordre toutes les pales dans le même sens d’environ 30 degrés.

La monter. Coller la roue sur un bouchon enfilé sur l’aiguille, qui tourne dans deux bouts de paille fixés en travers de la boîte.

Comparer un tuyau et une tuyère. Avec la même pompe, à la même distance et sous le même angle, souffler sur les pales par un tube large, puis par une paille raccourcie tenue en biais, et noter lequel fait tourner la roue le plus vite.

Ajouter un étage. Coller une seconde roue, pales tordues dans le même sens, sur un second bouchon enfilé sur la même aiguille, 3 cm derrière la première. Entre les deux, fixer à la boîte un anneau de carton aux pales tordues dans l’autre sens, percé au centre d’un trou assez large pour ne toucher ni l’aiguille ni les roues. Souffler dans l’axe de l’aiguille à travers la roue avant, puis retirer l’anneau et comparer : les pales fixes devraient renvoyer sur la seconde roue l’air sortant de la première.

Mesurer la tension. Relier à l’aiguille, par un bout de tube, un petit moteur à courant continu de modélisme et brancher à ses bornes un multimètre réglé en volts continus. Si la roue parvient à entraîner le moteur, la tension monte avec la vitesse.

N’essayez pas ce modèle à la vapeur. En bouillant, l’eau donne plus de mille fois son volume de vapeur, et un récipient chauffé fermé ou obstrué monte en pression jusqu’à éclater. Les vraies chaudières suivent des plans certifiés, portent des soupapes de sûreté et sont inspectées régulièrement par une personne compétente ; une chaudière bricolée n’offre aucune de ces garanties.

Sécurité. La vapeur brûle en une fraction de seconde, même au bec d’une bouilloire, où elle est invisible : garder mains et visages à l’écart. Ne jamais fermer, boucher ni obstruer un récipient chauffé. Une roue d’aluminium lancée a des bords coupants et peut projeter une pale : porter des lunettes et attacher les cheveux. N’utiliser qu’un petit moteur de modélisme et un multimètre, jamais le secteur, et tenir le sèche-cheveux loin de l’eau.

Histoire et évolutions

L’éolipyle de Héron : deux jets de vapeur font tourner la sphère sur ses pivots.

Au Ier siècle de notre ère, Héron d’Alexandrie décrit l’éolipyle, une boule creuse que font tourner des jets de vapeur sortant de tuyaux coudés : c’est le premier appareil connu à transformer la vapeur en rotation. En 1629, Giovanni Branca publie le dessin d’une machine où un jet de vapeur souffle sur une roue à palettes ; elle n’a sans doute jamais été construite. En Suède, Gustaf de Laval brevette en 1883 une petite roue à réaction pour ses écrémeuses, puis en 1889 une turbine à action à un seul étage, munie d’un réducteur.

En 1884, Charles Parsons, associé de la maison Clarke, Chapman à Gateshead, accouple directement à une dynamo une turbine à nombreux étages à réaction. Elle fournit 7,5 kilowatts à 18 000 tours par minute, et quelque 200 groupes semblables éclairent des navires en 1888. En 1890, la centrale de Forth Banks, à Newcastle, est la première à employer des turbines.

Turbinia à pleine vitesse : trois turbines sur trois arbres entraînaient neuf hélices.

Pour montrer ce que la turbine vaut sur un navire, Parsons construit Turbinia, une vedette de 31 mètres qui atteint 34,5 nœuds. Le 26 juin 1897, il la fait passer sans invitation devant les lignes de navires de guerre de la revue navale de Spithead. En 1905, un comité de l’Amirauté recommande les turbines pour toutes les classes de navires de guerre.

Aux États-Unis, Charles Curtis cède ses droits à General Electric en 1896. Son groupe de 5 000 kilowatts de 1903, alors le plus puissant du monde, mesure 7,6 mètres de haut, contre 18 pour une machine à piston de puissance voisine. Les groupes atteignent 660 mégawatts à Drax dans les années 1970, et chacune des deux turbines construites pour Hinkley Point C est prévue pour 1 770 mégawatts.