Écoulements supersoniques dans les soupapes de turbines à vapeur

Les écoulements dans les organes de détente (tels que les soupapes de sûreté et les soupapes de régulation des machines thermiques), peuvent être à l’origine de dysfonctionnements mécaniques graves et de nuisances acoustiques, induits par les écoulements internes chaotiques et susceptibles de générer des accidents mettant en péril la sécurité des personnes, des installations ainsi que la protection de l’environnement. Le danger est réel car les soupapes de sécurité en particulier doivent dégrader des puissances considérables (dizaines de mégawatts). Des travaux ont été conduits par le Professeur Pluviose sur cette thématique en partenariat avec Alstom, Le Cetim, Edf et d’autres industriels.
Dans une soupape, l’énergie cinétique doit être dégradée. On sait d’après les principes de thermodynamique que l’énergie se conserve. L’énergie cinétique du jet supersonique (Figure 1-a) peut se transformer en une autre forme d’énergie (chaleur, vibrations, bruit, etc.). Si on laisse faire ce jet, il risque d’être la source d’ennuis mécaniques sur les structures. Un dispositif (dit vistemboir ou dégradateur entropique, Figure 1- b) mis au point par le Professeur Pluviose permet de le canaliser avec des jets subsoniques périphériques, issus de cols soniques. Les parois sont alors isolées des perturbations qui se produisent au sein du fluide.

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Figure 1 – a- Écoulement supersonique

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b - Écoulements dans un dégradateur entropique

Les différences de vitesses entre le jet supersonique central et les écoulements subsoniques sont de l’ordre de grandeur des vitesses des molécules. Il y a arrachement du fluide secondaire, plutôt qu’entraînement. Le transfert d’énergie s’opère au niveau moléculaire par l’intermédiaire des phénomènes de transport (diffusion, viscosité, etc.). C’est le « principe de pire action » proposé par le Professeur Pluviose qui consiste à dissiper l’énergie au niveau moléculaire pour éviter des catastrophes au niveau macroscopique.

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