Un fluide de travail contient de l’énergie potentielle (hauteur de pression) et de l’énergie cinétique (hauteur de vitesse). Le fluide peut être compressible ou incompressible. Plusieurs principes physiques sont employés par les turbines pour collecter cette énergie :
Les turbines à impulsion changent la direction du flux d’un fluide ou d’un jet de gaz à grande vitesse. L’impulsion qui en résulte fait tourner la turbine et laisse l’écoulement du fluide avec une énergie cinétique diminuée. Il n’y a pas de changement de pression du fluide ou du gaz dans les aubes de la turbine (les aubes mobiles), comme dans le cas d’une turbine à vapeur ou à gaz, toute la chute de pression a lieu dans les aubes fixes (les tuyères). Avant d’atteindre la turbine, la hauteur de pression du fluide est transformée en hauteur de vitesse en accélérant le fluide à l’aide d’une tuyère. Les roues Pelton et les turbines de Laval utilisent exclusivement ce procédé. Les turbines à impulsions n’ont pas besoin d’un carter de pression autour du rotor puisque le jet de fluide est créé par la buse avant d’atteindre les pales du rotor. La deuxième loi de Newton décrit le transfert d’énergie pour les turbines à impulsion. Les turbines à impulsion sont plus efficaces pour une utilisation dans les cas où le débit est faible et la pression d’entrée est élevée.
Les turbines à réaction développent un couple en réagissant à la pression ou à la masse du gaz ou du fluide. La pression du gaz ou du fluide change lorsqu’il traverse les aubes du rotor de la turbine. Un carter sous pression est nécessaire pour contenir le fluide de travail lorsqu’il agit sur le ou les étages de la turbine, ou bien la turbine doit être entièrement immergée dans l’écoulement du fluide (comme dans le cas des éoliennes). Le carter contient et dirige le fluide de travail et, pour les turbines à eau, maintient l’aspiration conférée par le tube de tirage. Les turbines Francis et la plupart des turbines à vapeur utilisent ce concept. Pour les fluides de travail compressibles, plusieurs étages de turbine sont généralement utilisés pour exploiter efficacement le gaz en expansion. La troisième loi de Newton décrit le transfert d’énergie pour les turbines à réaction. Les turbines de réaction sont mieux adaptées aux vitesses d’écoulement plus élevées ou aux applications où la hauteur de charge du fluide (pression en amont) est faible.
Dans le cas des turbines à vapeur, telles qu’elles seraient utilisées pour les applications marines ou pour la production d’électricité terrestre, une turbine à réaction de type Parsons nécessiterait environ le double du nombre de rangées de pales qu’une turbine à impulsion de type de Laval, pour le même degré de conversion de l’énergie thermique. Bien que cela rende la turbine Parsons beaucoup plus longue et plus lourde, le rendement global d’une turbine à réaction est légèrement supérieur à celui de la turbine à impulsion équivalente pour la même conversion d’énergie thermique.
Dans la pratique, les conceptions de turbines modernes utilisent à des degrés divers les concepts de réaction et d’impulsion chaque fois que cela est possible. Les éoliennes utilisent un profil aérodynamique pour générer une portance de réaction à partir du fluide en mouvement et la transmettre au rotor. Les éoliennes tirent également de l’énergie de l’impulsion du vent, en le déviant selon un angle. Les turbines à étages multiples peuvent utiliser un aubage de réaction ou d’impulsion à haute pression. Les turbines à vapeur étaient traditionnellement plus à impulsion, mais elles continuent à évoluer vers des conceptions à réaction similaires à celles utilisées dans les turbines à gaz. À basse pression, le fluide de fonctionnement se dilate en volume pour de faibles réductions de pression. Dans ces conditions, l’aubage devient strictement une conception de type réactionnel, la base de l’aube étant uniquement à impulsion. La raison est due à l’effet de la vitesse de rotation de chaque pale. Au fur et à mesure que le volume augmente, la hauteur de la pale augmente, et la base de la pale tourne à une vitesse plus lente par rapport à l’extrémité. Ce changement de vitesse oblige le concepteur à passer d’une impulsion à la base, à une pointe de style à réaction élevée.
Les méthodes classiques de conception des turbines ont été développées au milieu du 19ème siècle. L’analyse vectorielle mettait en relation l’écoulement du fluide avec la forme et la rotation de la turbine. Des méthodes de calcul graphiques ont d’abord été utilisées. Les formules pour les dimensions de base des pièces de la turbine sont bien documentées et une machine très efficace peut être conçue de manière fiable pour n’importe quelle condition d’écoulement du fluide. Certains calculs sont empiriques ou basés sur des règles empiriques, d’autres sont basés sur la mécanique classique. Comme pour la plupart des calculs d’ingénierie, des hypothèses simplificatrices ont été faites.
Les triangles de vitesse peuvent être utilisés pour calculer les performances de base d’un étage de turbine. Le gaz sort des aubes directrices fixes du distributeur de la turbine à la vitesse absolue Va1. Le rotor tourne à la vitesse U. Par rapport au rotor, la vitesse du gaz lorsqu’il arrive à l’entrée du rotor est Vr1. Le gaz est tourné par le rotor et sort, par rapport au rotor, à la vitesse Vr2. Cependant, en termes absolus, la vitesse de sortie du rotor est Va2. Les triangles des vitesses sont construits à l’aide de ces différents vecteurs de vitesse. Les triangles de vitesse peuvent être construits à n’importe quelle section de l’aubage (par exemple : le moyeu, la pointe, le milieu, etc.) mais sont généralement représentés au rayon moyen de l’étage. La performance moyenne de l’étage peut être calculée à partir des triangles de vitesse, à ce rayon, en utilisant l’équation d’Euler:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}.
Hence:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}
où:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
est la chute d’enthalpie spécifique à travers l’étage T {\displaystyle T}.
est la température totale (ou de stagnation) à l’entrée de la turbine u {\displaystyle u}
est la vitesse périphérique du rotor de la turbine Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}.
est la variation de la vitesse de tourbillonnement
Le rapport de pression de la turbine est fonction de Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}.
et du rendement de la turbine.
La conception moderne des turbines pousse les calculs plus loin. La dynamique des fluides computationnelle dispense de bon nombre des hypothèses simplificatrices utilisées pour dériver les formules classiques et les logiciels informatiques facilitent l’optimisation. Ces outils ont permis d’améliorer régulièrement la conception des turbines au cours des quarante dernières années.
La principale classification numérique d’une turbine est sa vitesse spécifique. Ce nombre décrit la vitesse de la turbine à son efficacité maximale par rapport à la puissance et au débit. La vitesse spécifique est dérivée pour être indépendante de la taille de la turbine. Compte tenu des conditions d’écoulement du fluide et de la vitesse de sortie de l’arbre souhaitée, la vitesse spécifique peut être calculée et une conception de turbine appropriée sélectionnée.
La vitesse spécifique, ainsi que certaines formules fondamentales peuvent être utilisées pour mettre à l’échelle de manière fiable une conception existante de performance connue à une nouvelle taille avec une performance correspondante.
Les performances hors conception sont normalement affichées sous forme de carte ou de caractéristique de la turbine.
Le nombre de pales dans le rotor et le nombre d’aubes dans le stator sont souvent deux nombres premiers différents afin de réduire les harmoniques et de maximiser la fréquence de passage des pales.