vignette|Le rotor d'une turbine à vapeur moderne utilisée dans une centrale électrique.
Une turbine à vapeur est une machine qui extrait l'énergie thermique de la vapeur sous pression et l'utilise pour produire un travail mécanique de rotation de l'arbre de sortie. La version moderne fut inventée par Sir Charles Parsons en 1884...
Parce que la turbine génère un mouvement de rotation, elle est particulièrement bien adaptée pour entraîner un générateur électrique ; environ 75 % de la production d'électricité aux États-Unis (2025) était faite en utilisant des turbines à vapeur.. La turbine à vapeur est une forme de machine thermique qui doit une grande partie de l'amélioration de son efficacité thermodynamique à l'utilisation de plusieurs étages dans l'expansion de la vapeur, ce qui se traduit par un résultat proche du processus de détente réversible idéale.
Histoire vignette|Une turbine à vapeur industrielle de 1910 (à droite) directement reliée à une génératrice (à gauche). Le premier appareil qui peut être classé comme turbine à vapeur n'était guère plus qu'un jouet, le classique Éolipyle, décrit au par le mathématicien grec Héron d'Alexandrie en Égypte romaineA new look at Heron's 'steam engine'" (1992-06-25).O'Connor, J. J.; E. F. Robertson (1999).. Les turbines à vapeur ont également été décrites par l'Italien Giovanni Branca (1629)"Power plant engineering". et par John Wilkins en Angleterre (1648)Taqi al-Din and the First Steam Turbine, 1551 A.D., web page, accessed on line October 23, 2009; this web page refers to Ahmad Y Hassan (1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, , Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.. Les dispositifs décrits par Taqi al-Din et Wilkins sont aujourd'hui connus comme des tournebroches à vapeur. En 1672, une voiture à turbine à impulsion fut conçue par Ferdinand Verbiest. Une version plus moderne de cette voiture a été produite peu de temps après, à la fin du par un mécanicien allemand inconnu.
La théorie des turbines voit le jour avec les travaux de Segner et d'Euler, qui y consacrent deux communications et . Cf. à ce sujet .. À la vapeur utilisée dans l'éolipyle, Segner substitue de l'eau, réalisant ainsi le prototype de la turbine hydrauliqueD'après ..
La turbine à vapeur moderne fut inventée en 1884 par Sir Charles Parsons, dont le premier modèle était relié à une dynamo qui générait () d'électricité. L'invention de Parsons rend possible l'électricité bon marché et abondante, et a révolutionné le transport maritime et la marine de guerre. Le modèle de Parsons est du type à réaction. Sa licence est brevetée et sa turbine est améliorée peu de temps après par un Américain, George Westinghouse. La puissance des turbines Parsons s'est également avérée être extensible à grande échelle. Parsons a eu la satisfaction de voir son invention adoptée par toutes les grandes centrales de ce monde, et la taille des génératrices a augmenté depuis la première de jusqu'à des unités de de capacité. Pendant la vie de Parson, la capacité de production d'une unité a été multipliée par environ , et la puissance totale des génératrices construites par son cabinet C. A. Parsons and Company et par leurs titulaires, à des fins terrestres uniquement, avait dépassé les trente millions de chevaux-vapeur.
Un certain nombre d'autres variantes de turbines ont été développées pour travailler efficacement avec la vapeur. La turbine de Laval (inventée par Gustaf de Laval) accélérait la vapeur d'eau à pleine vitesse avant de l'envoyer vers des aubes de turbine. La turbine à impulsion de Laval est plus simple, moins coûteuse et n'a pas besoin d'être aussi résistante à la pression. Elle peut fonctionner avec de la vapeur sous pression, mais est nettement moins efficace. Auguste Rateau développa une turbine à pression à impulsion sur la base du principe de Laval dès 1896., obtint un brevet américain en 1903, et appliqua la turbine à un torpilleur français en 1904. Il enseigna à l'École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne pendant une décennie jusqu'en 1897, et fonda ensuite une entreprise à succès qui fut incorporée dans Alstom après sa mort. L'un des fondateurs de la théorie moderne de la vapeur et des turbines à gaz fut Aurel Stodola, un ingénieur-physicien slovaque, professeur à l’École polytechnique fédérale de Zurich. Son travail (en français : De la Turbine à vapeur et de son utilisation future comme moteur thermique) fut publié à Berlin en 1903. Un livre ultérieur, (en français : Turbines à gaz et à vapeur), fut publié en 1922.
La turbine Brown-Curtis, de type à impulsion, qui avait été à l'origine développée et brevetée par la société américaine International Curtis Marine Turbine Company, fut développée dans les années 1900, en collaboration avec John Brown & Company. Elle fut utilisée dans des moteurs John Brown de navires marchands et de guerre, y compris des paquebots et navires de guerre de la Royal Navy.
Fabrication En date de 2024, L'industrie de fabrication de turbines à vapeur est dominée par les fabricants Chinois d'équipements électriques. Harbin Electric, Shanghai Electric et Dongfang Electric, les trois principaux fabricants d'équipements électriques en Chine, détenant collectivement une part majoritaire dans le marché mondial des turbines à vapeur en 2009-10, suivant Platts. D'autres fabricants, avec des parts de marché minoritaires, sont Bhel, Siemens, Alstom, GE, Doosan Škoda Power, Mitsubishi Heavy Industries, et Toshiba. Le cabinet de conseil Frost & Sullivan projette que la fabrication des turbines à vapeur sera consolidée d'ici à 2020, les fabricants Chinois emportant de plus en plus de marchés à l'extérieur de la Chine.
Types Les turbines à vapeur sont produites dans une grande variété de tailles, allant de petites unités < (<) (rares, adaptées à certains milieux) utilisées comme entraînement mécanique de pompes, de compresseurs et d'autres équipements à arbre entraîné, jusqu'à () pour les turbines utilisées pour produire de l'électricité. Il existe plusieurs classifications modernes pour les turbines à vapeur.
Conception à lames et étages vignette|300x300px|Schéma décrivant la différence entre une turbine à action et une turbine à réaction. Les pales de turbines sont de deux types, des lames et des tuyères. Les lames se déplacent entièrement sous l'impact de la vapeur et leurs profils ne convergent pas. Il en résulte une diminution de la vitesse de la vapeur et pratiquement pas de chute de pression de la vapeur au cours de son déplacement à travers les lames. Une turbine composée de lames en alternance avec des tuyères fixes est appelée turbine à action (ou impulsion), turbine Curtis, turbine Rateau ou turbine Brown-Curtis. Les tuyères paraissent semblables à des lames, mais leurs profils convergent près de la sortie. Il en résulte une chute de pression de la vapeur et un gain de vitesse lorsque la vapeur se déplace dans les tuyères. Les tuyères se déplacent en raison de l'impact de la vapeur et de la réaction due à la haute vitesse de la vapeur à la sortie. Une turbine composée de tuyères en déplacement alternées avec des tuyères fixes est appelée une turbine à réaction, ou turbine Parsons.
Sauf pour des applications basse puissance, les pales de la turbine sont disposées en plusieurs étages en série, le , ce qui améliore grandement l'efficacité à basse vitesse Parsons, Sir Charles A., "The Steam Turbine", . Un étage de réaction est une rangée de tuyères fixes suivie par une rangée de tuyères mobiles. Plusieurs étages de réaction divisent la chute de pression de la vapeur entre l'admission et l'échappement en de nombreuses petites chutes, ce qui produit une turbine à pression composée. Les étages d'impulsion peuvent être soit à pression composée, soit à vitesse composée, soit à pression et vitesse composées. Un étage à impulsion à pression composée est une rangée de tuyères fixes, suivie par une rangée de lames mobiles, avec plusieurs étages pour la composition. Elle est également connue comme turbine de Rateau, d'après son inventeur. Un étage à impulsion à vitesse composée (inventée par Curtis et également appelée « roue Curtis ») est une rangée de tuyères fixes, suivie par deux ou plusieurs rangées de lames mobiles en alternance avec des rangées de lames fixes. Cela divise la chute de vitesse à travers l'étage en plusieurs petites chutes Parsons, Sir Charles A., "The Steam Turbine", . Une série d'étages à impulsion à vitesse composée est appelée turbine à pression-vitesse composée.
gauche|vignette|Schéma d'une turbine à vapeur marine AEG vers 1905.
En 1905, lorsque les turbines à vapeur ont été utilisées sur les navires rapides (comme le ) et pour des applications de puissance terrestres, il fut déterminé qu'il était souhaitable d'utiliser une ou plusieurs roues Curtis au début d'une turbine multi-étages (où la pression de la vapeur est la plus élevée), suivie par des étages de réaction. Ce fut plus efficace avec de la vapeur sous haute pression en raison de la réduction des fuites entre le rotor de la turbine et le carter Parsons, Sir Charles A., "The Steam Turbine", . Ceci est illustré dans le dessin de la turbine à vapeur allemande AEG marine de 1905. La vapeur provenant de chaudières entre par la droite à haute pression à travers un boîtier papillon contrôlé manuellement par un opérateur (dans ce cas, un marin appelé throttleman). Elle passe à travers cinq roues Curtis et de nombreux étages de réaction (les petites lames sur les bords des deux grands rotors du milieu) avant de sortir à basse pression, généralement vers un condenseur. Le condenseur produit un vide qui maximise l'énergie extraite de la vapeur, et condense la vapeur en eau d'alimentation qui retourne à la chaudière. Sur la gauche il y a plusieurs autres étages de réaction (sur deux grands rotors) pour faire tourner la turbine dans le sens inverse pour la marche arrière, avec la vapeur admise par un autre boîtier. Étant donné que les navires sont rarement utilisés en marche arrière et que cette vitesse est forcément limitée, l'efficacité n'est pas une priorité, de sorte que seuls quelques étages sont placés par mesure d'économie.
Les défis de la conception des aubes Un grand défi de la conception des turbines est de réduire le fluage subi par les aubes. En raison des températures élevées et des fortes contraintes de fonctionnement, les matériaux des turbines à vapeur sont endommagés par ces mécanismes. Comme les températures sont augmentées pour améliorer l'efficacité de la turbine, le fluage devient de plus en plus important. Pour limiter le fluage des aubes, on utilise des revêtements thermiques et des superalliages à renforcement par solution solide et par joints de grains.
Les revêtements de protection sont utilisés pour réduire les dommages thermiques et limiter l'oxydation. Ces revêtements sont souvent des céramiques à base de dioxyde de zirconium stabilisé. Utiliser un revêtement de protection thermique limite la température d'exposition du superalliage de nickel. Cela réduit les mécanismes de fluage dans l'aube. Les revêtements limitant l'oxydation freinent les pertes de rendement causées par une accumulation à l'extérieur des aubes, ce qui est particulièrement important dans un environnement à température élevée.
Les aubes en alliage base nickel contiennent de l'aluminium et du titane pour améliorer la rigidité et la résistance au fluage. La microstructure de ces alliages est faite de différentes régions de composition. Une dispersion uniforme de la phase gamma-prime – une combinaison de nickel, d'aluminium et de titane - favorise la rigidité et la résistance au fluage de l'aube grâce à sa microstructure..