À mesure que la détente progresse dans une turbine à vapeur, la pression et la température baissent ; au-delà d'un certain point, la vapeur franchit la courbe de saturation et commence à condenser. Les derniers étages fonctionnent donc en diphasique.
Deux pertes distinctes
Perte thermodynamique. La condensation n'est pas à l'équilibre : la vapeur se sous-refroidit d'abord, puis condense par une nucléation rapide. Ce processus irréversible engendre de l'entropie et coûte du rendement.
Perte mécanique. Les gouttelettes formées sont en retard sur la vapeur ; elles échangent de la quantité de mouvement en frappant les aubes et créent une perte supplémentaire.
L'érosion
Le problème le plus concret est celui-ci : les gouttelettes se rassemblent sur les aubes fixes et forment un film, le film se rompt au bord en grosses gouttes, et ces gouttes frappent les aubes mobiles à grande vitesse relative. Il en résulte une perte progressive de matière au bord d'attaque de l'aube.
Les contre-mesures — fentes d'extraction d'humidité, chauffage des aubes fixes, revêtements résistants, espacement inter-étage accru — sont toutes des décisions géométriques évaluables par le calcul.
Modélisation
Condensation hors équilibre. Un modèle qui suppose un changement de phase instantané à la courbe de saturation ne voit ni la zone de sous-refroidissement ni la nucléation ; la prévision de rendement ressort optimiste.
Deux populations de tailles. Les petites gouttelettes issues de la nucléation et les grosses gouttes détachées du stator sont d'ordres différents et se comportent différemment. Travailler avec un seul diamètre moyen rend la prévision d'érosion dénuée de sens. Voir la note sur l'écoulement multiphasique.
Suivi des gouttes. Les trajectoires des grosses gouttes sont suivies comme une phase discrète ; le coefficient de traînée doit être calculé en fonction du nombre de Reynolds [1].
Interaction instationnaire. L'impact sur les aubes fait partie de l'interaction stator-rotor, et une moyenne stationnaire l'efface. Voir la note sur les machines tournantes.
Les prévisions d'érosion sont faibles en valeur absolue ; il faut un usage comparatif et un calage sur des données d'exploitation mesurées.
Références
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.