1                        Turbine � gaz
 

           Sch�ma de fonctionnement d'une turbine � gaz � compresseur axial
      La turbine � gaz est un moteur thermique r�alisant les diff�rentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes travers�s par un fluide moteur gazeux en �coulement continu. C’est une diff�rence fondamentale par rapport aux moteurs � pistons qui r�alisent une succession temporelle des phases dans un m�me organe (g�n�ralement un cylindre).
       Dans sa forme la plus simple, la turbine � gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et sch�matiquement:
•    une compression adiabatique qui consomme de l’�nergie m�canique,
•    un chauffage isobare comme pour un moteur diesel,
•    une d�tente adiabatique jusqu’� la pression ambiante qui produit de l’�nergie m�canique,
•    un refroidissement isobare.
      Le rendement est le rapport du travail utile (travail de d�tente – travail de compression) � la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement th�orique croit avec le taux de compression et la temp�rature de combustion. Il est sup�rieur � celui du cycle Diesel car sa d�tente n’est pas �court�e.
     La turbine � gaz est le plus souvent � cycle ouvert et � combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est ext�rieure � la machine et se fait par m�lange � l’atmosph�re. La turbine � gaz peut �galement �tre � cycle ferm� et � combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assur�s par des �changeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse diff�rente de l’ambiante.
      Le cycle de base d�crit plus haut peut �tre am�lior� par diff�rents organes compl�mentaires :
•    r�cup�ration de chaleur � l’�chappement : les gaz d�tendus en sortie de turbine traversent un �changeur pour pr�chauffer l’air comprim� avant son admission dans la chambre de combustion,
•    compression refroidie : la compression comprend deux �tages (ou plus) s�par�s par un �changeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance n�cessaire � la compression s’en trouve r�duite au b�n�fice du rendement.
•    combustion �tag�e : la d�tente comprend deux �tages (ou plus) s�par�s par un ou des r�chauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’o� am�lioration du rendement.
     Les deux derni�res 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 r�alis�s ind�pendamment ou simultan�ment. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling pr�sente un rendement th�orique �gal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette sup�riorit� th�orique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalanc�e par l’impossibilit� pratique de r�aliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont r�serv�s 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 (rep�re C), constitu� d'un ensemble de roues munies d'ailettes, comprime l'air ext�rieur (rep. E), simplement filtr�, jusqu'� 10 � 15 bars, voire 30 bars pour certains mod�les.
    Du gaz (rep. G), ou un combustible liquide atomis�, est inject� dans la chambre de combustion (rep. Ch) o� il se m�lange � l'air compress� et s'enflamme. Les gaz chauds se d�tendent en traversant la turbine (rep. T), ou l'�nergie thermique des gaz chauds est transform�e en energie m�canique, la dite Turbine est constitu�e d'une ou plusieurs roues �galement munies d'ailettes et s'�chappent par la chemin�e (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 extr�mit� droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue le r�le de d�marreur. Le r�glage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le d�bit de l'air en entr�e 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 d�tourn�e par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'�chappement. Il est possible d'am�liorer l�g�rement le rendement en augmentant la temp�rature dans la chambre de combustion (plus de 1200�C) mais on se heurte au probl�me de tenue des mat�riaux utilis�s pour la r�alisation de la partie turbine. C'est en r�cup�rant la chaleur des gaz d'�chappement (chauffage, production de vapeur...) que le rendement global de la machine peut d�passer 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'�chappement (plus de 500 degr�s) pour produire de la vapeur dans une chaudi�re. Une autre possibilit� d'augmenter le rendement de la turbine, est de r�chauffer 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 utilis�e de deux mani�res :
•    la centrale � cycle combin� o� une turbine � vapeur compl�te la turbine � gaz pour actionner un alternateur, le rendement global atteint alors 55% voire m�me 60% dans les derni�res centrales � l'�tude.
•    la cog�n�ration o� la vapeur produite est utilis�e dans un autre domaine (papeterie...)
On fabrique des turbines � gaz de puissances allant de quelques kilowatts � plusieurs centaines de m�gawatts.
Pollution
Des efforts importants ont �t� entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines � gaz, en particulier en r�duisant 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 mod�les peu polluants sont surtout install�s par les pays d�velopp�s tandis que les turbines � gaz de conception moins sophistiqu�e et de prix moins �lev� sont pr�f�r�es par les pays en voie de d�veloppement.
Applications de la turbine � gaz
R�alisation pratique
La phase de compression est r�alis�e par un compresseur d’air axial ou centrifuge. Le travail de compression peut �tre r�duit par pulv�risation d’eau � l’admission. L’air comprim� est r�parti en trois flux :
•    une alimentation stoechiom�trique vers le br�leur aliment� en carburant,
•    un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et m�lang� 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 temp�rature par un large exc�s d’air pour maintenir la temp�rature � une valeur acceptable (jusqu’� 1300 �C en entr�e de turbine contre plus de 2000 �C en pointe). Ceci est tr�s p�nalisant pour le rendement.
Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion en entr�e de turbine pour augmenter le d�bit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudi�re de r�cup�ration chauff�e par l’�chappement. Il s’agit en fait d’un cycle combin� simplifi�.
La turbine g�n�ralement de type axial comprend un ou plusieurs �tages de d�tente. Contrairement aux turbines � vapeur, il s’agit toujours de turbines � r�action. Deux grands types de turbines � gaz sont � distinguer :
•    simple arbre : le compresseur et l’ensemble des �tages de d�tente sont regroup�s sur le m�me arbre entrainant �galement l’organe r�cepteur,
•    double arbre : le compresseur est sur le m�me arbre que les �tages de turbine strictement n�cessaires � son entrainement, les autres �tages de turbine �tant group�s sur un second arbre solidaire de la machine entrain�e.
La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement � charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destin�s � la propulsion. Les turbines � simple arbre sont adapt�es � la production �lectrique qui se fait � r�gime constant et charge plus �lev�e.
La r�alisation de la turbine et notamment de son premier �tage (turbine de feu) pose des probl�mes m�tallurgiques li�s � la temp�rature �lev�e et � la force centrifuge s’exer�ant sur les aubages mobiles. Elle n�cessite l’emploi d’aciers fortement alli�s (Cr-Ni-Va) et un refroidissement �nergique par de l’air de charge pr�lev� sur le compresseur. L’utilisation de mat�riaux c�ramiques est � l’�tude pour augmenter la temp�rature.
Limites techniques. Avantages
Bien que th�oriquement sup�rieure au moteur Diesel, la turbine � gaz pr�sente de s�v�res limitations dues aux contraintes techniques de sa r�alisation. Ces principales limites sont les suivantes :
•    taux de compression (et donc rendement) limit� par le nombre d’�tage de compression n�cessaires,
•    baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges � un r�gime plus faible que le r�gime nominal,
•    temp�rature de combustion (et donc rendement) limit�e par la r�sistance m�canique de la turbine.
•    chute importante du rendement � charge partielle en particulier pour les machines � simple arbre.
•    co�t d’usinage des aubages notamment de la turbine.
•    Inaptitude aux arr�ts et d�marrages fr�quents et peu progressifs.
•    Co�t de maintenance plus �lev� que pour un moteur diesel
•    Bien qu'� l'�tude, les turbines � gaz ne peuvent pas br�ler de fioul lourd contrairment au moteur diesel. Elles utilisent donc des carburants chers.
Les avantages inh�rents � ce type de machine sont les suivants :
•    puissance massique et volumique tr�s �lev�e du fait du fonctionnement continu,
•    simplicit� apparente de construction (un rotor dans un carter et un br�leur) et �quilibrage (peu de vibrations),
•    pollution limit�e en HC et NOx du fait de l’exc�s d’air et de la temp�rature limit�e,
•    aptitude � la r�cup�ration de chaleur (cog�n�ration),
•    long�vit� en marche stationnaire.
•    aptitude potentielle � utiliser des combustibles vari�s et de moindre qualit� (gaz pauvre, fuel lourd).
Les applications des turbines � gaz d�coulent directement de leurs avantages sp�cifiques. Ainsi, la puissance massique �lev�e se pr�te bien � la propulsion a�ronautique en particulier sur les h�licopt�res. 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 limit�s le plus souvent � l’Am�rique du Nord et � des v�hicules militaires comme des chars d’assaut (XM-1 Abrams ou Leclerc).
Par contre, la turbine � gaz est mal adapt�e aux v�hicules routiers. En effet, les variations de charge et de r�gime sont trop importantes et trop rapides pour �tre r�alisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30% pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels d�passent 40%. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’int�r�t pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, o� l’installation des �changeurs (notamment r�cup�rateur sur �chappement) est moins probl�matique.
L’autre grand domaine d’emploi des turbines � gaz est la production d’�lectricit�. En effet, il s’agit d’applications � r�gime constant et � charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW � pr�s de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en g�n�ral associ�es � des turbines � vapeur dans des cycles combin�s 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 m�me inf�rieur � 30% mais on met alors � profit l’aptitude des turbines � combustion pour la r�cup�ration de chaleur dans des applications de cog�n�ration (production simultan�e d’�lectricit� et de chaleur).
Turbocompresseur
Ce terme d�signe une turbine actionn�e par les gaz d’�chappement d’un moteur � piston et dont le travail sert � comprimer l’air admis dans le moteur. Ce dispositif repr�sente une am�lioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants :
•    augmentation de la puissance massique et volumique par une puissance sup�rieure � cylindr�e �gale. Afin de maximiser cet effet, il est n�cessaire de refroidir l’air comprim� par un �changeur (intercooler),
•    suppression de l’inconv�nient de la d�tente �court�e des cycles Otto et Diesel d’o� am�lioration de rendement. L’am�lioration du rendement est tr�s limit�e sur les moteurs � essence car les risques d’auto-inflammation (cliquetis) imposent de r�duire 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 li�s par une chambre de combustion commune. Il permet de concilier les avantages des deux types de moteurs tout en r�duisant leurs inconv�nients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la g�n�ralisation actuelle de cette technique. Le probl�me majeur du turbocompresseur est le m�me que les autres turbines � gaz, � savoir la gestion de la marche � faible charge ou en r�gime transitoire. Il est en grande partie r�solu aujourd’hui par les turbocompresseurs dits � � g�om�trie variable � munis d’aubages fixes � incidence variable.