Dans le cadre de nos activités, et avant le premier confinement en 2020, nous avions lancé l'étude de l'usinage du rotor de la turbine, dernier élément de notre ensemble chaudière KINDON.
Avant de se lancer il convient de connaître quelques principes sur ce type de turbine de la famille des turbines à action.
Une turbine à action comprend deux sous-ensembles :
- un stator à ailettes ou bien des injecteurs. Ce sous-ensemble a pour rôle de transformer « l'énergie de pression » en « énergie de vitesse » et d'injecter à très grande vitesse le fluide (vapeur) sur les aubages du rotor avec un angle optimal
- un rotor mobile autour de son axe. Le fluide rentre sur le bord d'attaque de l'aubage et en ressort symétriquement en sens opposé. Pour un usage amateur on peut se satisfaire de deux portions d'arc de cercle.
On notera que les deux faces du rotor sont à la même pression, qui est celle de l'échappement. Les problèmes d'étanchéité sont ainsi considérablement simplifiés.
Une turbine à action comporte un injecteur qui transforme la pression du fluide en vitesse. (Imaginer une lance d’arrosage de jardin). La vitesse de la vapeur est limitée par la loi qui conditionne l’écoulement au travers d’un injecteur. Le lecteur intéressé pourra se reporter à la fiche technique sur les injecteurs gaz.
Le jet de fluide va communiquer sa quantité de mouvement au rotor. Par l’effet de sa détente à la sortie de l’ajutage de l’injecteur la vapeur va brutalement se refroidir. Si elle se refroidit au point de se condenser totalement cela va mal se passer car à masses égales l’eau occupe un volume presque 900 fois moindre que la même masse de vapeur. La conséquence est que la vitesse d’écoulement tombe presque à zéro. On vient de réinventer les roues des moulins à eau du moyen-âge.
La conséquence est que l’on doit fournir de la vapeur surchauffée à haute pression. On devra aussi préchauffer la turbine avant le démarrage.
 |
 |
Turbine à injecteurs De Laval
En simplifiant grossièrement on peut dire qu’à l’équilibre la vitesse périphérique des pales est égale à la vitesse du fluide. Ces turbines ont donc une très grande vitesse de rotation.
Les conséquences :
- Ces turbines ont un couple moteur faible, il faudra leur adjoindre une démultiplication de vitesse.
- Elles consomment de grandes quantité de vapeur, donc inutile de faire des augets (pales) immenses, la chaudière ne suivrait pas la demande en vapeur.
1.1. Angle d'incidence d'injection
L'angle d'incidence vu par la pale aura un effet sur le rendement de ce profil. Mais il faut être conscient que la pale se déplace à grande vitesse et donc que la vitesse résultante est la composition de sa vitesse de déplacement et de la vitesse de la vapeur.
Lors du prototypage on aura intérêt a essayer plusieurs angles pour l’injecteur.
On notera qu’une turbine va subir une poussée axiale qu’il faudra reprendre mécaniquement.
 |