Les turbines à vapeur
Extrait d'un article de la revue de l'AMAP, association méditerranéenne des amis des paquebots.
Si la première idée de turbine remonte à l'an 20 avant l'ère chrétienne, ce n'est que vers 1853 que M. Tournaire, ingénieur des Mines, démontra dans un mémoire adressé à l'Académie des Sciences, la possibilité de réaliser une turbine à vapeur basée sur l'effet de réaction. En 1884 I'anglais Parsons en construit le premier modèle d'une puissance de 6 ch, tandis que 10 ans plus tard le Suédois de Laval réalise à son tour une turbine à réaction à usage industriel. En 1890, I'Américain Charles Curtiss met au point des turbines à action plus compactes que les Parsons avec un bon rendement. En 1901, I'ingénieur de génie Auguste Rateau conçoit la turbine multicellulaire.
Principe de fonctionnement
On distingue deux grandes catégories de turbines :- Les turbines à action. Dans les turbines à action la vapeur se détend com plètement depuis la pression de la chaudière jusqu'à celle du condenseur en acquérant une très grande vitesse. L'action directe de la vapeur sur chaque ailette à son passage devant le distributeur, donne à la roue une série d'impuisions génératrices d'un couple moteur.
- Les turbines à réaction. Dans la turbine à réaction, la détente de la vapeur s'effectue en deux temps: De P à P' dans le distributeur fixe oú la vapeur va acquérir une certaine vitesse. Cette vitesse agira sur les ailettes par "action directe" comme sur la turbine à action. De P' à P", dans la roue mobile dont les ailettes réalisent entre elles des passages en forme de tuyère. Cette nouvelle détente va procurer à la vapeur qui entre dans la roue une vitesse relative de sortie supérieure à la vitesse d'entrée. Il se produit alors un effet de répuision ou de "réaction" supérieur sur la roue, de sens inverse du sens de sortie de la vapeur.
Réalisations
Le premier bateau à turbines en service en 1894 fut le Turbinia (30 m de long, 45 t de déplacement). Il était équipé de 3 turbines totalisant une puissance de 2.000 ch, la vitesse atteinte étant de 34,5 nds au détriment d'un mauvais rendement, les hélices tournant beaucoup trop vite. Progressivement, les turbines (en particulier les Parsons) remplacent les machines à vapeur alternatives sur les paquebots. En 1901, le King Edward est le premier navire à passagers équipé de turbines Parsons à attaque directe, c'est-à-dire accouplées directement aux hélices. Vers 1909, les chantiers navals mettent au point un système utilisant la vapeur ayant déjà travaillé dans le dernier cylindre basse pression des machines alternatives en l'envoyant dans une turbine à vapeur, elle-même à basse pression, au lieu de passer directement dans le condenseur, ce qui représente une économie d'énergie d'environ 15 % par rapport à une machine alternative.Les turbines présentent l'avantage d'être souples et silencieuses, de permettre de réaliser une puissance considérable tout en réduisant l'encombrement et les vibrations. Elles offrent toutefois deux inconvénients: tout d'abord leur irréversibilité (une turbine spéciale de marche arrière est nécessaire), ensuite leur plein rendement n'est obtenu qu'aux grandes vitesses de rotation qui ne peuvent être directement imprimées aux hélices, il faut donc interposer des réducteurs entre les turbines et les hélices.
En 1909, les premiers réducteurs de turbines (alors à simple réduction) présentent de gros problèmes, Ia qualité de la denture étant très variable ils font beaucoup de bruit. Il fallut attendre l'engrenage hélico&itrema;dal pour améliorer le système et plus particuIièrement le double engrenage hélico&itrema;dal. En 1915, Ia double réduction est produite, ce qui permet d'améliorer encore le rendement des machines.
Généralement les turbines à réaction (qui sont les plus employées à cette époque) sont placées en série (deux, trois ou quatre turbines), la détente totale de la vapeur étant divisée en autant de par ties égales qu'il y a de turbines en série. Ces turbines à chute de pression sont essentiellement utiIisées pour les installations propulsives de moyennes et grandes puissances. En 1910, le France est le premier navire de la Compagnie GénéraIe Transatlantique à être équipé de turbines Parsons à attaque directe avec triple détente et quatre hélices. Sa puissance totale était de 42.000 ch et il avait une meilleure consommation spécifique que Ies "Cunarders".
Au fil des années, la puissance des turbines instalIées sur les paquebots ne cessa de croître pour atteindre 240.000 ch sur quatre hélices pour le United States en 1952 et 280.000 ch sur les porte-avions nucléaires de l'US Navy actuellement en service.
Un autre inconvénient de la turbine vient de la difficulté à automatiser une installation à vapeur. Les chaudières modernes à petit volume d'eau demandent à être surveillées de très près et leur niveau - quand elles sont automatisées - est très étroitement limité par une tolérance très faible entre un niveau bas et un niveau haut. Tout dépassement de ces limites en un point du plan d'eau de la chaudière déclenche l'alarme et met la chaudière en extinction automatique. Nous avons eu l'expérience à la Compagnie Maritime des Chargeurs Réunis de trois porte-conteneurs ainsi équipés de chaudières Forster Wheeler timbrées à 74 bars avec surchauffe qui nous ont donné bien du souci parce qu'elles s'éteignaient en cas de gîte en cours d'évolution brutale du navire (par exemple pour éviter un pêcheur ou pour tourner une bouée) ou en cas de roulis. Dans ces cas, il fallait fonctionner en manuel, ce qui n'était pas le but recherché.
Une telle installation, idéale pour une unité de production électrique à terre, n'était pas du tout adaptée à la mer. En effet, le rallumage demandait une vingtaine de minutes pendant lesquelles le navire restait incapable de manoeuvrer ou au mieux avec la moitié de sa puissance...
La turbine reste une excellente machine pour des navires manoeuvrant seulement en bout de voyage comme les pétroliers. Ce sont des navires oú l'importance du compartiment moteur est secondaire par rapport à leur taille, surtout dans le sens vertical qui peut largement recevoir les hautes chaudières modernes et les différents appareils condenseurs, surchauffeurs, chaudières de récupération...
La meilleure utilisation que l'on fit de la turbine sur les paquebots, fut l'association turbine-propulsion électrique. Elle fut installée sur Normandie et par la suite sur le Kairouan. Ce fut dans les deux cas une réussite pour la remarquable souplesse de fonctionnement de l'ensemble machine-propulseurs. Cette utilisation aurait pu donner un autre avenir à la turbine. Mais le moteur et plus tard la turbine à gaz firent mieux en faisant gagner beaucoup de place dans le compartiment moteur.
Malgré les avantages qu'elle présente, la turbine qui continue à être installée jusque dans les années 1990 sur les pétroliers, a en fait cédé la place aux moteurs Diesel sur les paquebots dès les années soixante-dix. C'est son manque de puissance en marche arrière qui l'a condamnée en raison du grand nombre de manoeuvres à effectuer sur ce genre de navire. Un autre inconvénient vient de la nécessité de réchauffer la turbine en permanence et de la faire tourner lentement pendant toute l'escale, ce qui représente une consommation inutile de combustible. Nous avons eu pendant quelques années au sein de la flotte Paquet un paquebot à turbines, le Rhapsody basé aux Etats-Unis. Devenu paquebet de croisière, c'était un navire particulièrement lourd à maneuvrer - sans propuiseur d'étrave - souvent obligé d'éviter par petits fonds. Il fallait une sacrée dose de patience et des mécaniciens encore plus patients pour éviter ce navire de 195 m de longueur avec ses seules deux hélices. Les passagers américains étaient souvent inquiets de voir ce navire "scier" du bois au large du quai pour gagner patiemment quelques degrés à chaque manoeuvre.