Différence entre une turbine à gaz et une turbine à vapeur

Turbine à gaz vs turbine à vapeur

Les turbines sont une classe de turbomachines utilisées pour convertir l'énergie d'un fluide en circulation en énergie mécanique au moyen de mécanismes à rotor. Les turbines, en général, convertissent en énergie thermique ou cinétique du fluide. Les turbines à gaz et les turbines à vapeur sont des turbomachines thermiques dans lesquelles le travail est généré par le changement d'enthalpie du fluide de travail; c'est-à-dire que l'énergie potentielle du fluide sous forme de pression est convertie en énergie mécanique.

Sur la base de la direction du fluide, les turbines sont classées en deux catégories: les turbines à flux axial et les turbines à flux radial. Techniquement, une turbine est un détendeur, qui délivre un travail mécanique résultant de la diminution de la pression, ce qui correspond au fonctionnement opposé du compresseur. Cet article se concentre sur le type de turbine à écoulement axial, qui est plus courant dans de nombreuses applications d'ingénierie..

La structure de base d'une turbine à flux axial est conçue pour permettre un flux continu de fluide tout en extrayant de l'énergie. Dans les turbines thermiques, le fluide de travail, à une température élevée et à une pression élevée, est dirigé à travers une série de rotors constitués d'aubes angulaires montées sur un disque rotatif fixé à l'arbre. Entre chaque disque de rotor sont montées des pales fixes servant de buses et de guides pour l'écoulement du fluide..

En savoir plus sur la turbine à vapeur

Même si le concept d'utilisation de la vapeur pour les travaux mécaniques a longtemps été utilisé, la turbine à vapeur moderne a été conçue par l'ingénieur anglais Sir Charles Parsons en 1884..

La turbine à vapeur utilise la vapeur sous pression d’une chaudière comme fluide de travail. La vapeur surchauffée qui entre dans la turbine perd sa pression (enthalpie) en se déplaçant à travers les pales des rotors, qui déplacent l’arbre auquel ils sont connectés. Les turbines à vapeur fournissent de l’énergie à un taux constant et constant, et le rendement thermique d’une turbine à vapeur est supérieur à celui d’un moteur alternatif. Le fonctionnement de la turbine à vapeur est optimal à des états de régime plus élevés.

Au sens strict, la turbine n’est qu’un élément unique du fonctionnement cyclique utilisé pour la production d’énergie, qui est idéalement modélisée par le cycle de Rankine. Les chaudières, les échangeurs de chaleur, les pompes et les condenseurs font également partie du fonctionnement, mais ne font pas partie de la turbine..

De nos jours, les turbines à vapeur étaient principalement utilisées pour la production d'électricité, mais au début du XXe siècle, les turbines à vapeur étaient utilisées comme centrale pour les navires et les moteurs de locomotives. À titre exceptionnel, dans certains systèmes de propulsion marine où les moteurs diesel ne sont pas pratiques, tels que les porte-avions et les sous-marins, les moteurs à vapeur sont encore utilisés.

En savoir plus sur la turbine à gaz

Un moteur à turbine à gaz ou simplement une turbine à gaz est un moteur à combustion interne utilisant des gaz tels que l’air comme fluide de travail. L’aspect thermodynamique du fonctionnement de la turbine à gaz est idéalement modélisé par le cycle de Brayton..

La turbine à gaz, contrairement à la turbine à vapeur, comprend plusieurs composants clés; il s’agit du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, qui sont assemblés le long d’un arbre en rotation pour effectuer différentes tâches d’un moteur à combustion interne. L'entrée de gaz provenant de l'entrée est d'abord comprimée à l'aide d'un compresseur axial; qui effectue l'exact opposé d'une turbine simple. Le gaz sous pression est ensuite dirigé à travers un étage de diffuseur (une buse divergente) dans lequel le gaz perd sa vitesse, mais augmente encore la température et la pression..

Dans l'étape suivante, le gaz entre dans la chambre de combustion où un carburant est mélangé avec le gaz et s'enflamme. À la suite de la combustion, la température et la pression des gaz atteignent un niveau incroyablement élevé. Ce gaz traverse ensuite la section de la turbine et lorsqu’il passe, il produit un mouvement de rotation vers l’arbre. Une turbine à gaz de taille moyenne produit des vitesses de rotation de l'arbre atteignant 10 000 tr / min, alors que les petites turbines peuvent produire 5 fois plus.

Les turbines à gaz peuvent être utilisées pour produire un couple (par l’arbre en rotation), une poussée (par un échappement de gaz à grande vitesse) ou une combinaison des deux. Dans le premier cas, comme dans la turbine à vapeur, le travail mécanique fourni par l’arbre est simplement une transformation de l’enthalpie (pression) du gaz à haute température et sous pression. Une partie du travail de l’arbre est utilisée pour entraîner le compresseur par un mécanisme interne. Cette forme de turbine à gaz est principalement utilisée pour la production d’énergie électrique et en tant que centrales électriques pour des véhicules tels que des réservoirs et même des voitures. Le réservoir US M1 Abrams utilise une turbine à gaz comme centrale.

Dans le second cas, le gaz à haute pression est dirigé à travers une buse convergente pour augmenter la vitesse, et la poussée est générée par les gaz d'échappement. Ce type de turbine à gaz est souvent appelé moteur à réaction ou turboréacteur, qui alimente les avions de combat militaires. Le turboréacteur est une variante avancée de ce qui précède, et la combinaison de la génération de poussée et de travail est utilisée dans les moteurs à turbopropulseur, où le travail sur l’arbre est utilisé pour entraîner une hélice..

Il existe de nombreuses variantes de turbines à gaz conçues pour des tâches spécifiques. Ils sont préférés aux autres moteurs (principalement les moteurs à pistons) en raison de leur rapport poids / puissance élevé, de leurs vibrations réduites, de leurs vitesses de fonctionnement élevées et de leur fiabilité. La chaleur perdue est presque entièrement dissipée sous forme d’échappement. Dans la production d'électricité, cette énergie thermique résiduelle sert à faire bouillir de l'eau pour faire fonctionner une turbine à vapeur. Le processus est connu sous le nom de production d'énergie à cycle combiné.

Quelle est la différence entre une turbine à vapeur et une turbine à gaz?

• La turbine à vapeur utilise la vapeur à haute pression comme fluide de travail, tandis que la turbine à gaz utilise de l’air ou un autre gaz comme fluide de travail..

• La turbine à vapeur est essentiellement un détendeur fournissant un couple en tant que sortie de travail, tandis qu'une turbine à gaz est un dispositif combiné de compresseur, chambre de combustion et turbine exécutant une opération cyclique pour fournir un travail en couple ou en poussée..

• La turbine à vapeur n’est qu’un composant exécutant une étape du cycle de Rankine, tandis que la turbine à gaz exécute l’ensemble du cycle de Brayton..

• Les turbines à gaz peuvent fournir un couple ou une poussée en tant que sortie de travail, tandis que les turbines à vapeur fournissent presque tout le temps un couple en tant que sortie de travail..

• Le rendement des turbines à gaz est beaucoup plus élevé que celui de la turbine à vapeur en raison des températures de fonctionnement plus élevées des turbines à gaz. (Turbines à gaz ~ 1500 0C et turbines à vapeur ~ 550 0C)

• L'espace requis pour les turbines à gaz est bien inférieur au fonctionnement d'une turbine à vapeur, car elle nécessite des chaudières et des échangeurs de chaleur, qui doivent être connectés à l'extérieur pour permettre l'ajout de chaleur..

• Les turbines à gaz sont plus polyvalentes, car de nombreux carburants peuvent être utilisés et le fluide de travail, qui doit être alimenté en permanence, est facilement disponible partout (air). Les turbines à vapeur, en revanche, nécessitent de grandes quantités d’eau pour le fonctionnement et ont tendance à poser des problèmes de basses températures en raison du givrage.