turbine a gaz

Principe général de fonctionnement Le principe de la propulsion des avions à réaction s’appuie sur la troisième lai énoncée par Issac Newton en 1687 dans le premier volume de son Philosophiae Naturalis Principa Mathematica : tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B. Action-réaction La réaction est la conséquence d’une action. Prenons comme exemple un ballon que l’on gonfle. La paroi du ballon subit une certaine pression et se dilate. Si le ballon est bien fermé la résultante des forces de pression à l’intérieur du ballon est nulle. igure de gauche) Maintenant ouvrons les gaz en s’échappa org Sni* to View (figure de droite) pulsion (action) et provoquent le déplacement du ballon (r action tant que la pression interne des gaz sera suffisante). On peut distinguer deux catégories de propulseurs: Les propulseurs qui emmènent leur carburant (kérosene ou autre) mais utilisent l’air ambiant comme comburant: – les statoréacteurs – les pulsoréacteurs – les turboréacteurs les moteurs à hélices (turbopropulseurs, hélicoptères) Et les propulseurs qui emmènent leur carburant (hydrogène liquide ou kérosène etc… et leur propre comburant (oxygène iquide ou autre) – les moteurs de fusée. Principe de fonctionnement d’une turbine à gaz en rotation un compresseur qui aspire et comprime Pair ambiant pour l’envoyer vers une ou plusieurs chambres de combustion. Simultanément une pompe entraînée par l’intermédiaire d’un boitier de transmission ou ASB accessory gearbox (en anglais) injecte du carburant (kérosène).

Ce mélange air comprimé/carburant est enflammé dans cette ou ces chambres par une bougie ou plusieurs bougies (allumeurs), ce qui permet de dilater fortement les gaz. Ces gaz traversent une ou plusieurs turbines qui entraînent ? l’aide d’un arbre rotatif le compresseur et les accessoires indispensables au fonctionnement du réacteur ( pompe ? carburant, alternateur etc… ) , ce qui permet d’assurer la continulté du mouvement. Les gaz s’échappent ensuite dans une tuyère de section convergente afin de les accélérer en sortie.

Après quelques secondes, lorsque le régime de rotation est suffisant, le démarreur est désaccouplé et la bougie éteinte. Le moteur peut alors fonctionner de façon autonome pour atteindre son régime de ralenti. Ci-dessous le Turbomeca Marboré VI visible au Musée de l’Air ? Paris Le-gourget Note : Sur certains avions légers ou ne possédant pas d’APIJ (hélicoptères) le lancement en rotation du compresseur se fait par un démarreur électrique.

General Electric GEnx Cette animation provient de General Electric Calcul de la poussée d’un turboréacteur La poussée d’un turboréacteur résulte de l’accélération de l’air entre l’entrée (manche à ai (tuyère). Elle est obtenue obtenue par la combustion d’un carburant, généralement du kérosène, dans l’oxygène de l’air. une partie de l’énergie produite est récupérée par une turbine et sert à comprimer, à l’entrée du éacteur, l’air, utilisé comme comburant. Définition Wikipedla La poussée d’un turboréacteur peut être calculée approximativement à partir de l’équation .

Fpoussée= Qm x ( V sortie V entrée ) Qm – Débit massique de l’air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s) V entrée = Vitesse d’entrée des gaz dans le compresseur ( en m/ s) V sortiez Vitesse de sortie des gaz de la tuyère ( en mis) Qm x V entrée correspond à la force de trainée de l’entrée d’air Qm x V sortie représente la poussée à la sortie de la tuyère Le turboréacteur ne créera une poussée vers l’avant que si la itesse d’échappement des gaz est supérieure à la vitesse de l’avion.

Turbines à gaz Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine ? gaz (aussi appelée turbine à combustion) est composée de trois éléments un compresseur, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l’air ambiant à une presslon comprise aujourd’hui entre 10 et 30 bars environ ; une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l’air comprimé, avec un fort excès d’air afin de limiter la température es gaz d’échappement ; les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur ? combustion interne à flux continu. On notera que le terme de turbine à gaz provient de l’état du fluide de travail, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturel ou des distillats légers). Il existe aussi des turbines à gaz à cycle fermé, utilisées pour des applications particulières. Bien évidemment, il s’agit alors de moteurs a combustion externe.

Pour atteindre des taux de compression r de 20 ou 30, le compresseur est multiétagé, avec parfois une réfrigération intermédiaire destinée à réduire le travail consommé. Les rotors axiaux sont constitués d’un empilage de disques, soit montés sur un moyeu central, soit assemblés en tambour sur leur périphérie. Les matériaux utilisés vont des alliages d’aluminium ou de titane pour les premiers étages aux alliages d’acier et aux alliages réfractaires pour les derniers étages, qui peuvent supporter des températures atteignant 500 oc.

La chambre de combustion est normalement construite en alliage éfractaire. Dans les turbines à gaz à cycle ouvert, les principales contraintes technologiques se situent au niveau des premiers étages de la turbine de détente, qui sont soumis au flux des gaz d’échappement à très haute température. Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et, de plus, particulièrement sensibles à l’abrasion.

Il importe donc d’utiliser un c refroidir et, de plus, particulièrement sensibles à l’abrasion. Il importe donc d’utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de ormer des acides), et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages. Les matériaux utilisés pour les aubages de la turbine sont des alliages réfractaires ? base de nickel ou de cobalt, et on envisage de recourir à des céramiques dans l’avenir.

Comme le rendement du cycle est lui-même une fonction croissante de la température, d’importants développements technologiques ont été consacrés à la mise au point, d’une part de systèmes de refroidissement efficaces des aubages, et d’autre part de matériaux résistant aux températures élevées. Depuis un emi-siècle, on a ainsi pu relever progressivement (d’environ 20 oc par an) le niveau de température d’entrée dans la turbine, pour atteindre aujourd’hui 1300 à 1500 oc.

Analyse fonctionnelle La fonction principale d’une turbine à gaz est de produire de la puissance mécanique à partir d’un combustible liquide ou gazeux propre. Les fonctions des éléments mis en évidence à partir de l’analyse technique précédente peuvent être énoncées comme suit : comprimer l’air entrant ; le porter à haute température par combustion ; détendre les gaz brûlés dans une turbine produisant du travail mecanlque.

Le problème est d’autant plus difficile à résoudre que les formes des tuyères fixes et des aubages mobiles des turbines sont très complexes, surtout dans les modèles de petite taille dérivés de l’aviation. pour effectuer le refroidiss Pour effectuer le refroidissement, on prélève de l’air à différents niveaux du compresseur, en fonction de la pression désirée, pour le réinjecter dans la turbine.

Cet air parcourt ensuite l’intérieur des aubages, à travers un jeu de chicanes judicieusement conçu, pour être ensuite évacué avec les gaz d’échappement, soit au niveau du bord de fuite, soit en énageant une certaine porosité à travers la paroi. Il faut donc introduire une fonction contrainte « Refroidir les aubages Une fonction contrainte supplémentaire correspondant ? l’alimentation en combustible doit aussi être ajoutée, et une autre pour représenter le contrôle de la combustion, toute surchauffe pouvant conduire à une détérioration de la turbine.

Enfin des précautions particulières doivent être prises pour bien lubrifier le moteur, une fonction contrainte elle aussi fondamentales pour sa bonne marche. L’ensemble de ces fonctions est détaillé dans cette page. Cycles de turbines à gaz avancés De nombreuses variantes du cycle de base de la turbine à gaz présenté ci-dessus ont été proposées.

Un certain nombre font l’objet de fiches thématiques auxquelles vous pouvez vous référer Cycles nucléaires à haute température (HTR) Cycles au C02 supercritique pour réacteurs nucléaires ATR Cycle de turbine à gaz à air humide HAT Références livre Chapitre 2 Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l’accord des presses de l’Ecole des Mmes de pans Séances Diapason disponibles Les séances Diapason traitant des tur Mines de Paris

Les séances Diapason traitant des turbines à gaz à cycle ouvert sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S20 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de turbine à gaz variés : dans la séance 521, on fait Ihypothèse que la machine est parcourue par de l’air, lui même supposé parfait, ce qui permet de comparer les résultats avec ceux d’un modèle purement analytique.

La séance S22 complète la précédente, l’air aspiré étant considéré comme un mélange de N2, 02 et Ar. La combustion est alors prise en ompte. La séance 523 permet d’établir le bilan exergétique de la machine et d’étudier une variante à régénération. La séance S24 permet de construire directement un modèle de turbine à gaz avec combustion sans passer par le modèle à air parfait. Elle résume donc en quelque sorte les séances S21 et S22. La séance S20_aero présente les turbomoteurs, qui sont de simples variantes des turbines à gaz. ontenu étapes durée de la sonorisation S20 Technologie des turbines à gaz (TAG) 30 18 mn Exercice TAG (air parfait) 29 12 mn 35 s S22 Exercice TAG (gaz réel) 2 mn 30 s S23 omplète le précédent, autour de l’exemple d’une turbine à gaz à hélium du type de celle qui pourrait être utilisée couplée à un réacteur nucléaire à haute température HTR. La séance SZI He correspond à un cycle simple, et la séance 523 permet d’étudier une variante à régénération.

S21He Exercice TAG (He) 23 IO mn S23He Exercice TAG à hélium à régénération 6 4 mn Fiches-guides de TD La fiche-guide de TD FG16 réalisée par Patrice NORTIER permet d’étudier les performances d’une turbine à gaz en fonction des paramètres de fonctionnement ( sujet seul, complet avec corrigé) L’objectif de ce travail est de faire découvrlr aux élèves la technologie et le fonctionnement d’une turbine à gaz ainsi que les paramètres clés de son fonctionnement. Par ailleurs, la liste des fiches-guides en contient plusieurs qui mettent en jeu des turbines à gaz.

Exercices et activités personnelles Un guide de prise en mains vous permet tout d’abord de vous initier à la modélisation d’une turbine à gaz avec combustion dans Thermoptim. Les modules ExpliSite vous proposent des explorations virtuelles guidées des cycles de turbine à gaz, avec des liens vers des xplications théoriques, technologiques, méthodologiques… Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond aux connaissances ui ont été introduites au cours de la première étape du m formation aux systèmes deuxième étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulatlons, des demandes d’extraction d’informations qualitatives ou quantitatives pour renseigner des formulaires, répondre à des questions, effectuer des calculs de bilans… Nous vous conseillons donc, si vous avez le temps, d’étudier les différents niveaux du module ExpliSite sur les turbines à gaz.

Le niveau 3 vous permettra en particulier d’étudier diverses variantes de cycles de turbine à gaz qui ne sont pas traitées dans les modules Diapason Cycle à refroidissement intermédiaire, Cycle à combustion séquentielle, Cycle à refroidissement intermédiaire, combustion séquentielle et régénération, Cycle à injection de vapeur Nous vous proposons aussi quelques exercices pour développer votre capacité de modélisation de ces cycles avec Thermoptim. Les énoncés étant très succincts, le schéma de l’installation est fourni dans chaque cas.

Les corrigés sont accessibles aux enseignants authentifiés. Une fos le modèle établi, vous pouvez faire des études de sensibilité pour analyser l’influence des différents paramètres sur les performances des cycles. Enfin, voici un document qui présente de manière succincte quelques utilisations possibles de Thermoptim pour l’étude des turbines à gaz et cycles associés . Vous pourrez vous exercer ? modéliser les cycles représentés, qui couvrent un large domaine de complexité.