La turbine à vapeur est un appareil électrique de base qui convertit l'énergie thermique de la vapeur en travail mécanique. Ses composants sont conçus autour de quatre grands principes : « conversion de l'énergie vapeur – transmission mécanique de l'énergie – contrôle opérationnel – assurance sécurité ». Chaque pièce fonctionne ensemble pour obtenir une production d’énergie efficace et stable. Les composants spécifiques et leurs fonctions sont les suivants :
1. Section de conversion d'énergie de base : système de flux de vapeur
C'est le cœur de la transformation d'une turbine de « énergie thermique → énergie cinétique → énergie mécanique » et détermine directement l'efficacité de l'unité. Il comprend principalement trois composants clés : les buses, les pales du rotor et les diaphragmes :
- Buses (aubes de stator): Le « premier convertisseur d'énergie » pour la vapeur entrant dans la turbine. À mesure que la vapeur à haute -pression passe à travers la buse, le canal se rétrécit, provoquant une chute de la pression de la vapeur et une forte augmentation de la vitesse (convertissant l'énergie thermique de la vapeur en énergie cinétique), formant un flux de vapeur à grande vitesse- qui prépare le travail ultérieur effectué par les pales du rotor.
-Pales de rotor: Les "composants d'exécution" de la conversion d'énergie. Lorsque le flux de vapeur à grande vitesse - frappe les pales du rotor, il génère une poussée latérale, entraînant la rotation des pales du rotor et de l'arbre connecté (convertissant l'énergie cinétique du flux de vapeur en énergie mécanique du rotor). Ils sont la source directe de la puissance de sortie de la turbine. La forme des pales du rotor (par exemple, de type torsadé) doit correspondre précisément à la direction du flux de vapeur pour minimiser la perte d'énergie.
- Diaphragmes: La "structure de support et de positionnement" des buses. Les diaphragmes sont fixés à la paroi du cylindre avec un trou central pour le passage du rotor. Leur fonction principale est de diviser la turbine en plusieurs étages de pression (chaque étage étant constitué d'un ensemble de buses et d'un ensemble de pales de rotor), permettant à la vapeur de se dilater et de fonctionner progressivement à travers plusieurs ensembles de « buses-pales de rotor », permettant une utilisation progressive de l'énergie et améliorant l'efficacité globale.
2. Partie de transmission d'énergie mécanique : système rotatif
Responsable de la transmission de l'énergie mécanique de rotation générée par les pales mobiles au générateur (ou à d'autres charges), tout en garantissant la stabilité lors d'une rotation à grande vitesse-. Le composant principal est le rotor, avec les composants de support, notamment l'arbre principal, les accouplements et les roues (ou tambours) :
- Rotor : Le "noyau rotatif" de la turbine à vapeur. Selon le type d'unité, elle est classée en « rotor à impulsion » et « rotor à réaction » :
- Rotor à impulsion : se compose de l'arbre principal, de la roue et des pales mobiles. Les pales mobiles sont fixées sur la roue et la roue est montée sur l'arbre principal. Il convient aux unités à haute-pression et de petite-capacité ;
- Rotor de réaction : n'a pas de roue et les pales mobiles sont directement fixées sur l'arbre principal (ou le tambour). Le rotor a une rigidité globale plus élevée et convient aux unités de moyenne- à basse-pression et de grande-capacité (telles que les turbines à vapeur thermiques de 300 MW et plus).
- Arbre principal et accouplements : l'arbre principal est le "squelette" du rotor, supportant la turbine/les pales mobiles ; des accouplements relient le rotor de la turbine au rotor du générateur (ou à d'autres charges) et transmettent le couple de rotation. Une coaxialité élevée doit être assurée pour éviter les vibrations pendant le fonctionnement.
3. Support fixe et composants d'étanchéité : système de stator
Fournit un support fixe pour le système rotatif, contient de la vapeur et empêche les fuites de vapeur (qui affectent l'efficacité) et l'entrée d'air (qui perturbe le vide). Il comprend principalement le cylindre, les joints vapeur et les roulements :
- Cylindre : La "coquille" de la turbine. Fabriqué en acier moulé ou en acier allié, divisé en cylindre haute-pression, cylindre à pression intermédiaire-et cylindre basse-pression (pour les unités multi-cylindres). À l’intérieur, il abrite des composants tels que des diaphragmes, des buses et des rotors, formant un passage de vapeur fermé. Le cylindre doit avoir une résistance suffisante pour résister à une pression et une température de vapeur élevées et doit être scellé avec des brides et des boulons pour éviter les fuites de vapeur.
- Joints à vapeur : "Composants anti-clés anti-fuite." Divisé en trois types :
- Joint d'arbre : installé à l'endroit où le rotor traverse le cylindre, empêchant la vapeur à haute-pression à l'intérieur du cylindre de fuir le long de l'extrémité de l'arbre (réduisant la perte d'énergie) ou l'air du côté du condenseur d'entrer (endommageant le vide).
- Joint vapeur à diaphragme : installé dans l'espace entre le trou central du diaphragme et le rotor, empêchant la vapeur de s'écouler entre les étages de pression adjacents (évitant ainsi la perte d'énergie entre les étages).
- Joint de vapeur de pointe de lame : installé dans l'espace entre le haut des pales mobiles et la paroi intérieure du cylindre, réduisant les fuites de vapeur sur le dessus des pales et améliorant l'efficacité de la scène.
- Roulements : les "composants de support et de réduction de friction- du rotor". Divisé en roulements radiaux et butées :
- Roulements radiaux : supportent le poids du rotor, assurant une rotation radiale stable du rotor et empêchant la friction avec les composants du stator.
- Paliers de butée : supportent la poussée axiale sur le rotor causée par la vapeur (en raison de la différence de pression), empêchant le mouvement axial du rotor et maintenant des espaces stables entre les pales mobiles et fixes.
4. Section Contrôle des Opérations : Systèmes de Régulation et de Protection
Ajustez la puissance de la turbine en fonction des demandes de charge externes (telles que les changements dans la consommation électrique du réseau électrique) tout en protégeant l'unité dans des conditions anormales. Les composants principaux comprennent le système de régulation et le système de protection :
- Système de régulation : le "Load Control Center". Il se compose d'un régulateur, d'un actionneur hydraulique, d'une vanne de commande et d'un mécanisme de transmission :
1. Le régulateur (de type centrifuge ou électro-hydraulique) surveille la vitesse du rotor en temps réel-. Lorsque des changements de charge entraînent un écart de vitesse par rapport à la valeur nominale (par exemple, une diminution de la consommation d'électricité du réseau → une augmentation de la vitesse), il émet un signal ;
2. Le signal est transmis à l'actionneur hydraulique, qui entraîne la vanne de régulation (installée à l'entrée de vapeur de la turbine) ;
3. La vanne de régulation ajuste le débit de vapeur (par exemple, si la vitesse augmente, la vanne se ferme légèrement pour réduire la vapeur), rétablissant la stabilité de la vitesse du rotor tout en ajustant la puissance de l'unité en fonction de la charge.
- Système de protection : la « ligne de sécurité ». Lorsque l'unité rencontre des conditions qui menacent la sécurité (telles qu'une survitesse, une faible pression d'huile de lubrification, un déplacement axial excessif ou une perte de vide), des actions de protection sont automatiquement déclenchées, telles que la fermeture de la vanne de vapeur principale pour couper la vapeur ou l'ouverture de la vanne de déclenchement d'urgence pour libérer l'huile, forçant ainsi la turbine à s'arrêter et évitant ainsi tout dommage à l'équipement.
5. Amélioration de l'efficacité auxiliaire : systèmes de condensation et de lubrification
Bien qu'ils ne participent pas directement à la conversion d'énergie, ces systèmes déterminent l'efficacité opérationnelle et la durée de vie des équipements de l'unité, servant de « système de garantie » pour un fonctionnement stable de la turbine :
- Système de condensation (principalement utilisé pour les turbines à condensation) : la "clé de l'amélioration de l'efficacité". Il se compose du condenseur, de la pompe à vide et de la pompe à condensats :
- Condenseur : condense la vapeur d'échappement de la turbine (vapeur basse-pression) dans l'eau, créant un vide poussé (la pression d'échappement chute à 0,005-0,01 MPa), abaissant considérablement la température d'échappement et la pression de la vapeur, augmentant la chute d'enthalpie de la vapeur dans la turbine (entendue comme la « différence énergétique ») et améliorant l'efficacité de l'unité ;
- Pompe à vide : maintient le vide du condenseur en éliminant l'air qui s'infiltre pendant la condensation ;
- Pompe à condensats : pompe l'eau condensée (condensat) vers la chaudière pour la réchauffer en vapeur, permettant le recyclage du fluide de travail (eau-vapeur) et réduisant la consommation de ressources en eau.
- Système de lubrification : la "garantie de la durée de vie des équipements". Il se compose du réservoir d'huile, de la pompe à huile lubrifiante, du refroidisseur d'huile et du filtre à huile :
- Pompe à huile lubrifiante : met sous pression l'huile lubrifiante du réservoir et la délivre aux composants rotatifs tels que les roulements radiaux et de butée, formant un film d'huile pour réduire la friction et l'usure ;
- Refroidisseur d'huile : refroidit l'huile lubrifiante avec de l'eau (évitant ainsi les dommages au film d'huile causés par une température excessive de l'huile) ;
- Filtre à huile : filtre les impuretés de l'huile pour garantir la propreté de l'huile lubrifiante.
Résumé : La logique coordonnée de chaque composant
La vapeur à haute-pression pénètre d'abord dans le système d'écoulement de vapeur, où elle est accélérée par des buses pour entraîner la rotation des pales mobiles ; les pales mobiles entraînent le système de rotation (rotor), transférant l'énergie mécanique au générateur via un accouplement ; le système statorique (cylindre, joint vapeur) garantit l'absence de fuite de vapeur et la rotation stable du rotor ; le système de contrôle ajuste l'apport de vapeur en fonction de la charge, tandis que le système de protection répond aux conditions anormales ; le système de condensation améliore l'efficacité et le système de lubrification protège l'équipement- chaque pièce fonctionne en étroite collaboration, permettant finalement la conversion efficace de « l'énergie thermique de la vapeur → l'énergie électrique (ou l'énergie mécanique). »
