Turbine Categoria: Referat Franceza
Descriere: Le rendement faible de la turbine ŕ gaz (25 ŕ 35%) est dű au fait que
l'énergie fournie par le combustible est détournée par le compresseur
ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Il est
possible d'améliorer légÄrement le rendement en augmentant la
température dans la chambre de combustion (plus de 1200°C) mais on se
heurte au problÄme de tenue des matériaux utilisés pour la réalisation
de la partie turbine... |
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1 Turbine gaz Schma de fonctionnement d'une turbine gaz compresseur axial La turbine gaz est un moteur thermique ralisant les diffrentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes traverss par un fluide moteur gazeux en coulement continu. C’est une diffrence fondamentale par rapport aux moteurs pistons qui ralisent une succession temporelle des phases dans un mme organe (gnralement un cylindre). Dans sa forme la plus simple, la turbine gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et schmatiquement: • une compression adiabatique qui consomme de l’nergie mcanique, • un chauffage isobare comme pour un moteur diesel, • une dtente adiabatique jusqu’ la pression ambiante qui produit de l’nergie mcanique, • un refroidissement isobare. Le rendement est le rapport du travail utile (travail de dtente – travail de compression) la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement thorique croit avec le taux de compression et la temprature de combustion. Il est suprieur celui du cycle Diesel car sa dtente n’est pas courte. La turbine gaz est le plus souvent cycle ouvert et combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extrieure la machine et se fait par mlange l’atmosphre. La turbine gaz peut galement tre cycle ferm et combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurs par des changeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse diffrente de l’ambiante. Le cycle de base dcrit plus haut peut tre amlior par diffrents organes complmentaires : • rcupration de chaleur l’chappement : les gaz dtendus en sortie de turbine traversent un changeur pour prchauffer l’air comprim avant son admission dans la chambre de combustion, • compression refroidie : la compression comprend deux tages (ou plus) spars par un changeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance ncessaire la compression s’en trouve rduite au bnfice du rendement. • combustion tage : la dtente comprend deux tages (ou plus) spars par un ou des rchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’o amlioration du rendement. Les deux dernires dispositions visent tendre vers des transformations isothermes en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines taux de compression lev. Les trois dispositifs peuvent tre raliss indpendamment ou simultanment. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling prsente un rendement thorique gal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette supriorit thorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalance par l’impossibilit pratique de raliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont rservs aux installations stationnaires du fait de l’encombrement et du poids des changeurs gaz/gaz.Principes Coupe longitudinale d'une turbine gaz - Principaux organes Le compresseur (repre C), constitu d'un ensemble de roues munies d'ailettes, comprime l'air extrieur (rep. E), simplement filtr, jusqu' 10 15 bars, voire 30 bars pour certains modles. Du gaz (rep. G), ou un combustible liquide atomis, est inject dans la chambre de combustion (rep. Ch) o il se mlange l'air compress et s'enflamme. Les gaz chauds se dtendent en traversant la turbine (rep. T), ou l'nergie thermique des gaz chauds est transforme en energie mcanique, la dite Turbine est constitue d'une ou plusieurs roues galement munies d'ailettes et s'chappent par la chemine (rep. Ec) travers un diffuseur. Le mouvement de rotation de la turbine est communiqu l'arbre A qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge qui n'est autre qu'un appareil (machine) recepteur(ice)(pompe, alternateur...) accoupl son extrmit droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue le rle de dmarreur. Le rglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le dbit de l'air en entre et sur l'injection du carburant. Rendement Le rendement faible de la turbine gaz (25 35%) est d au fait que l'nergie fournie par le combustible est dtourne par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'chappement. Il est possible d'amliorer lgrement le rendement en augmentant la temprature dans la chambre de combustion (plus de 1200C) mais on se heurte au problme de tenue des matriaux utiliss pour la ralisation de la partie turbine. C'est en rcuprant la chaleur des gaz d'chappement (chauffage, production de vapeur...) que le rendement global de la machine peut dpasser 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'chappement (plus de 500 degrs) pour produire de la vapeur dans une chaudire. Une autre possibilit d'augmenter le rendement de la turbine, est de rchauffer les gaz en sortie des tages de compression (avant les chambres de combustion)en les faisant passer dans un changeur situ dans le flux des gaz d'chappement.On arrive ainsi se rapprocher des rendements d'un moteur diesel semi rapide.C'est par exemple le principe de fonctionnement de la turbine WR21 de Rolls Royce. La vapeur produite est ensuite utilise de deux manires : • la centrale cycle combin o une turbine vapeur complte la turbine gaz pour actionner un alternateur, le rendement global atteint alors 55% voire mme 60% dans les dernires centrales l'tude. • la cognration o la vapeur produite est utilise dans un autre domaine (papeterie...) On fabrique des turbines gaz de puissances allant de quelques kilowatts plusieurs centaines de mgawatts. Pollution Des efforts importants ont t entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines gaz, en particulier en rduisant les rejets d'oxyde d'azote (NOx). L'utilisation de gaz naturel permet une mission faible de dioxydes de soufre (SO2) et de monoxyde de carbone (CO). Les modles peu polluants sont surtout installs par les pays dvelopps tandis que les turbines gaz de conception moins sophistique et de prix moins lev sont prfres par les pays en voie de dveloppement. Applications de la turbine gaz Ralisation pratique La phase de compression est ralise par un compresseur d’air axial ou centrifuge. Le travail de compression peut tre rduit par pulvrisation d’eau l’admission. L’air comprim est rparti en trois flux : • une alimentation stoechiomtrique vers le brleur aliment en carburant, • un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mlang aux produits de combustion du bruleur, • un flux destin au refroidissement de la turbine. 1 Contrairement au moteur piston, la combustion est continue et il faut donc limiter la temprature par un large excs d’air pour maintenir la temprature une valeur acceptable (jusqu’ 1300 C en entre de turbine contre plus de 2000 C en pointe). Ceci est trs pnalisant pour le rendement. Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion en entre de turbine pour augmenter le dbit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudire de rcupration chauffe par l’chappement. Il s’agit en fait d’un cycle combin simplifi. La turbine gnralement de type axial comprend un ou plusieurs tages de dtente. Contrairement aux turbines vapeur, il s’agit toujours de turbines raction. Deux grands types de turbines gaz sont distinguer : • simple arbre : le compresseur et l’ensemble des tages de dtente sont regroups sur le mme arbre entrainant galement l’organe rcepteur, • double arbre : le compresseur est sur le mme arbre que les tages de turbine strictement ncessaires son entrainement, les autres tages de turbine tant groups sur un second arbre solidaire de la machine entraine. La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destins la propulsion. Les turbines simple arbre sont adaptes la production lectrique qui se fait rgime constant et charge plus leve. La ralisation de la turbine et notamment de son premier tage (turbine de feu) pose des problmes mtallurgiques lis la temprature leve et la force centrifuge s’exerant sur les aubages mobiles. Elle ncessite l’emploi d’aciers fortement allis (Cr-Ni-Va) et un refroidissement nergique par de l’air de charge prlev sur le compresseur. L’utilisation de matriaux cramiques est l’tude pour augmenter la temprature. Limites techniques. Avantages Bien que thoriquement suprieure au moteur Diesel, la turbine gaz prsente de svres limitations dues aux contraintes techniques de sa ralisation. Ces principales limites sont les suivantes : • taux de compression (et donc rendement) limit par le nombre d’tage de compression ncessaires, • baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges un rgime plus faible que le rgime nominal, • temprature de combustion (et donc rendement) limite par la rsistance mcanique de la turbine. • chute importante du rendement charge partielle en particulier pour les machines simple arbre. • cot d’usinage des aubages notamment de la turbine. • Inaptitude aux arrts et dmarrages frquents et peu progressifs. • Cot de maintenance plus lev que pour un moteur diesel • Bien qu' l'tude, les turbines gaz ne peuvent pas brler de fioul lourd contrairment au moteur diesel. Elles utilisent donc des carburants chers. Les avantages inhrents ce type de machine sont les suivants : • puissance massique et volumique trs leve du fait du fonctionnement continu, • simplicit apparente de construction (un rotor dans un carter et un brleur) et quilibrage (peu de vibrations), • pollution limite en HC et NOx du fait de l’excs d’air et de la temprature limite, • aptitude la rcupration de chaleur (cognration), • longvit en marche stationnaire. • aptitude potentielle utiliser des combustibles varis et de moindre qualit (gaz pauvre, fuel lourd). Les applications des turbines gaz dcoulent directement de leurs avantages spcifiques. Ainsi, la puissance massique leve se prte bien la propulsion aronautique en particulier sur les hlicoptres. La propulsion navale fait galement de plus en plus appel aux turbines gaz notamment pour les navires grande vitesse. Il existe enfin des exemples d’application la propulsion ferroviaire mais limits le plus souvent l’Amrique du Nord et des vhicules militaires comme des chars d’assaut (XM-1 Abrams ou Leclerc). Par contre, la turbine gaz est mal adapte aux vhicules routiers. En effet, les variations de charge et de rgime sont trop importantes et trop rapides pour tre ralisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30% pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dpassent 40%. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’intrt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, o l’installation des changeurs (notamment rcuprateur sur chappement) est moins problmatique. L’autre grand domaine d’emploi des turbines gaz est la production d’lectricit. En effet, il s’agit d’applications rgime constant et charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW prs de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en gnral associes des turbines vapeur dans des cycles combins dont le rendement global tend actuellement vers 60%. En cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 35% voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est mme infrieur 30% mais on met alors profit l’aptitude des turbines combustion pour la rcupration de chaleur dans des applications de cognration (production simultane d’lectricit et de chaleur). Turbocompresseur Ce terme dsigne une turbine actionne par les gaz d’chappement d’un moteur piston et dont le travail sert comprimer l’air admis dans le moteur. Ce dispositif reprsente une amlioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants : • augmentation de la puissance massique et volumique par une puissance suprieure cylindre gale. Afin de maximiser cet effet, il est ncessaire de refroidir l’air comprim par un changeur (intercooler), • suppression de l’inconvnient de la dtente courte des cycles Otto et Diesel d’o amlioration de rendement. L’amlioration du rendement est trs limite sur les moteurs essence car les risques d’auto-inflammation (cliquetis) imposent de rduire sensiblement le taux de compression du moteur proprement dit d’o une perte de rendement. Le moteur turbocompress combine donc un moteur pistons et une turbine gaz, les deux tant lis par une chambre de combustion commune. Il permet de concilier les avantages des deux types de moteurs tout en rduisant leurs inconvnients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la gnralisation actuelle de cette technique. Le problme majeur du turbocompresseur est le mme que les autres turbines gaz, savoir la gestion de la marche faible charge ou en rgime transitoire. Il est en grande partie rsolu aujourd’hui par les turbocompresseurs dits gomtrie variable munis d’aubages fixes incidence variable. |
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