les turbines a gaz

من طرف samir 05 الجمعة فبراير 19, 2010 11:00 pm

Introduction

La turbine à gaz, aussi appelée turbine à combustion, est une machine thermique qui connaît actuellement une grande vogue, compte tenu de ses excellentes performances (rendement Supérieur à 35 % utilisée seule, et à 55 % en cycle combiné). la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu.

On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide thermodynamique, 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).

Ils sont des groupes de force dont l’utilisation dans l’industrie des hydrocarbures est très répandue, compte tenu des puissances unitaires développées élevées, à de faciles adaptations, à des régimes variables des processus d’exploitation et à de modes de démontage en blocs qui permettent des périodes de fonctionnement entre réparations de plus en plus élargies.

1-turbine à gaz

Une turbine à gaz (dénomination historique), appelée aussi turbine à combustion ou parfois turbine à gaz de combustion (dénomination la plus précise), est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique sous la forme de la rotation d'un [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], directement à partir de l'énergie cinétique des gaz produits par la combustion d'un hydrocarbure ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], gaz combustible...) qui subissent une détente dans une [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], le plus souvent de l'air ambiant, est généralement [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] avant de pénétrer dans la chambre de combustion, en utilisant un compresseur rotatif entraîné par le même arbre que la turbine.

Le mot « gaz » dans l'ancienne dénomination « turbine à gaz » (longtemps la plus employée) fait référence au caractère [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] des produits de combustion, par opposition aux [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dans lesquelles le fluide moteur (de la [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]) se condense en [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

Le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] est une [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] à gaz particulière qui utilise le principe de la [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] pour propulser certains types d'[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] rapides.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

Schéma de fonctionnement d'une turbine à gaz à compresseur axial

2-

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Principe de fonctionnement

La turbine à gaz est un [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] thermique réalisant les différentes phases de son cycle [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dans une succession d’organes traversés par un fluide moteur gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale par rapport aux moteurs à pistons qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (généralement un cylindre).

Dans sa forme la plus simple, la turbine à gaz fonctionne selon le cycle dit de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] comprenant successivement et schématiquement :

ØUne [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] qui consomme de l’énergie mécanique ;

ØUn chauffage [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] comme pour un [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ;

ØUne détente adiabatique jusqu’à la pression ambiante qui produit de l’énergie mécanique ;

ØUn refroidissement isobare.

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En fonctionnement, un compresseur entraîné par l'arbre de la turbine comprime de l'air atmosphérique (P_A et T_A) . Cette compression est isentropique. La température Tb se déduit de : Tb = Ta.(Pb/Pa)^-1/. g est voisin de 1,4 et le rapport P_A /P_B est de l'ordre de 10.
L'air, refoulé dans la chambre de combustion, est mélangé avec du kérosène. La combustion porte par voie isobare (chambre de combustion ouverte) le gaz à la température Tc (de l'ordre de 1300 K)
Le gaz subit ensuite une détente isentropique en passant dans la turbine (distributeur fixe et aubage mobile et solidaire de l'axe qui entraîne le compresseur).
En D, le fluide est à la pression atmosphérique et retourne à la température ambiante par voie isobare.
Dans les phases isobares, la variation d'entropie est donnée (pour l'unité de masse) par S = c_PLn(T_f/ T_i).
Le rendement théorique est :  = 1 - (T_D - T_A)/(T_C - T_B)

3-Le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

est le rapport du travail utile (travail de détente – travail de compression) à la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement théorique croit avec le taux de compression et la température de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n’est pas écourtée.

La turbine à gaz est le plus souvent à cycle ouvert et à combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange à l’atmosphère. La turbine à gaz peut également être à cycle fermé et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente de l’ambiante.

Le cycle de base décrit plus haut peut être amélioré par différents organes complémentaires :

récupération de chaleur à l’échappement : les gaz détendus en sortie de turbine traversent un échangeur pour préchauffer l’air comprimé avant son admission dans la chambre de combustion ;

compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] nécessaire à la compression s’en trouve réduite au bénéfice du rendement ;

combustion étagée : la détente comprend deux étages (ou plus) séparés par un ou des réchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’où amélioration du rendement.

Les deux dernières dispositions visent à tendre vers des transformations [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines à taux de compression élevé. Les trois dispositifs peuvent être réalisés indépendamment ou simultanément. Dans ce cas, on retrouve le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dit de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] qui comme le cycle de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] présente un rendement théorique égal au rendement maximal du [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Cette supériorité théorique par rapport aux cycles [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] est cependant contrebalancée par l’impossibilité pratique de réaliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont réservés aux installations stationnaires du fait de l’encombrement et du poids des échangeurs gaz/gaz.

4-Pollution

Des efforts importants ont été entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines à gaz, en particulier en réduisant les rejets d'oxyde d'azote (NOx). L'utilisation de gaz naturel permet une émission faible de dioxydes de soufre (SO2) et de monoxyde de carbone (CO). Les modèles peu polluants sont surtout installés par les pays développés tandis que les turbines à gaz de conception moins sophistiquée et de prix moins élevé sont préférées par les pays en voie de développement.

5-Applications

5.1-Réalisation pratique

La phase de compression est réalisée par un compresseur d’air axial ou centrifuge. Le travail de compression peut être réduit par pulvérisation d’eau à l’admission. L’air comprimé est réparti en trois flux :

une alimentation [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] vers le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] alimenté en [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ;

un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mélangé aux produits de combustion du brûleur ;

un flux destiné au refroidissement de la turbine.

Contrairement au moteur à piston, la combustion d'une turbine a gaz est continue et il faut donc limiter la température à une valeur acceptable pour les matériaux par un large excès d’air 1 300 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] en nominal avec 2 000 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] en courte pointe). Ceci est très pénalisant pour le rendement qui est maximum vers 4 500 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] (le même problème existe pour les moteurs à pistons).

Il existe des machines utilisant une injection de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dans les produits de combustion à l' entrée de la turbine pour augmenter le débit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudière de récupération chauffée par l’échappement. Il s’agit en fait d’un [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] simplifié.

La turbine généralement de type axial comprend un ou plusieurs étages de détente. Contrairement aux turbines à vapeur, il s’agit toujours de turbines à réaction. Deux grands types de turbines à gaz sont à distinguer :

simple arbre : le compresseur et l’ensemble des étages de détente sont regroupés sur le même arbre entrainant également l’organe récepteur ;

double arbre : le compresseur est sur le même arbre que les étages de turbine strictement nécessaires à son entrainement, les autres étages de turbine étant groupés sur un second arbre solidaire de la machine entrainée.

La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement à charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destinés à la [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Les turbines à simple arbre sont adaptées à la production électrique qui se fait à régime constant et charge plus élevée.

La réalisation de la turbine et notamment l'étage situé derrière le feu pose des problèmes métallurgiques liés à la température élevée et à la force centrifuge s’exerçant sur les aubages mobiles. Elle nécessite l’emploi d’[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] fortement alliés (Cr-Ni-Va) et un refroidissement énergique par de l’air de charge prélevé sur le compresseur. L’utilisation de matériaux [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] est à l’étude pour augmenter la température.

5.2-Limites techniques. Avantages

Bien que théoriquement supérieure au moteur Diesel, la turbine à gaz présente de sévères limitations dues aux contraintes techniques de sa réalisation. Ces principales limites sont les suivantes :

taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre d’étages de compression nécessaires ;

baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à un régime plus faible que le régime nominal ;

température de combustion (et donc rendement) limitée par la résistance mécanique de la turbine ;

chute importante du rendement à charge partielle en particulier pour les machines à simple arbre ;

coût d’[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] des aubages notamment de la turbine ;

inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs ;

la plupart des turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairement au moteur Diesel. Elles utilisent donc du gaz naturel, du biogaz ou de torchère ou du gasoil toutefois, les turbines à gaz heavy duty peuvent brûler du fioul lourd ; ceci nécessitant le réchauffage du carburant afin d'en diminuer la viscosité ; l'atomisation du carburant au niveau de l'injecteur est ainsi rendue possible ; certains fiouls lourds nécessitent l'injection d'inhibiteur de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

Les avantages inhérents à ce type de machine sont les suivants :

puissance massique et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu ;

possibilité de variation de charge 0 à 100 % instantanément ;

simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et équilibrage (peu de vibrations) ;

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] limitée en HC et NOx du fait de l’excès d’air et de la température limitée ;

aptitude à la récupération de chaleur (cogénération) ;

coûts de maintenance inférieurs aux moteurs pistons ;

longévité en marche stationnaire ;

aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz pauvre) ;

peu de génie civile nécessaire pour sa mise en œuvre.

Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique en particulier sur les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. La propulsion navale fait également de plus en plus appel aux turbines à gaz notamment pour les navires à grande vitesse. Il existe enfin des exemples d’application à la propulsion ferroviaire mais limités le plus souvent à l’Amérique du Nord et à des véhicules militaires comme des chars d’assaut (XM-1 Abrams ou Leclerc).

Par contre, la turbine à gaz est mal adaptée aux véhicules routiers. En effet, les variations de charge et de régime sont trop importantes et trop rapides pour être réalisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30 % pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dépassent 40 %. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’intérêt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, où l’installation des échangeurs (notamment récupérateur sur échappement) est moins problématique.

L’autre grand domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il s’agit d’applications à régime constant et à charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW à près de 300 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] dont le rendement global tend actuellement vers 60 %. En cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 à 35 % voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est même inférieur à 30 % mais on met alors à profit l’aptitude des turbines à combustion pour la récupération de chaleur dans des applications de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] (production simultanée d’électricité et de chaleur).

5.3-Turbocompresseur

Le terme [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] a deux significations :

un compresseur (centrifuge en général) entraîné par une turbine (à gaz en général) ;

une turbine entraînée par les gaz d'échappement qui comprime de l'air pour l’injecter dans le moteur (appelé couramment « turbo » dans le domaine automobile).

Le turbo désigne une turbine actionnée par les gaz d’échappement d’un moteur à pistons et dont le travail sert à comprimer l’air admis dans le moteur. Ce dispositif représente une amélioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants :

augmentation de la puissance massique et volumique par une puissance supérieure à [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] égale. Afin de maximiser cet effet, il est nécessaire de refroidir l’air comprimé par un échangeur (intercooler) ;

suppression de l’inconvénient de la détente écourtée des cycles Otto et Diesel d’où amélioration de rendement. L’amélioration du rendement est très limitée sur les moteurs à essence car les risques d’auto-inflammation (cliquetis) imposent de réduire sensiblement le taux de compression du moteur proprement dit, d’où une perte de rendement.

Le moteur turbocompressé combine donc un moteur à pistons et une turbine à gaz, les deux étant liés par une chambre de combustion commune. Il permet de concilier les avantages des deux types de moteurs tout en réduisant leurs inconvénients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la généralisation actuelle de cette technique.

Le problème majeur du turbocompresseur est le même que les autres turbines à gaz, à savoir la gestion de la marche à faible charge ou en régime transitoire. Il est en grande partie résolu au XXIe siècle par les turbocompresseurs dits « à géométrie variable » munis d’aubages fixes à [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] variable.

5.4-Propulsion

C'est grâce à leur [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] élevées que de petites turbines sont utilisées pour motoriser les hélicoptères. Des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]), mais aussi des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], des navires... sont propulsés par des turbines à gaz de puissance moyenne. Les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] sont des turbines à gaz utilisées en [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] pour propulser des [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] modernes et rapides.

Moteur [[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]]

L'industrie pétrolière utilise des turbines à gaz pour entraîner des pompes et compresseurs pour les pipelines.

5.5-Production d'électricité

La turbine à gaz de grande puissance (> 1 MW) est surtout utilisée pour entraîner un [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et produire de l'électricité. Les infrastructures et le génie civil nécessaires pour une centrale électrique équipée de turbines à gaz sont réduits, ce qui permet d'installer en quelques mois une centrale tout près du lieu d'utilisation de l'électricité (ville, usine) ou de la source de combustible (port, forage, raffinerie...). Turbine et alternateur sont acheminés sous formes de modules compacts et complets qu'il suffit d'assembler et de raccorder aux réseaux dans des climats où la température extérieure peut aller de -40 à +50 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Un des avantages des centrales à turbine à gaz est le temps réduit pour la mise en œuvre, le gestionnaire d'un réseau de distribution électrique peut ainsi moduler facilement la capacité de production pour s'adapter aux variations de la consommation.

L'installation d'un groupe électrogène à turbine à gaz peut s'accompagner d'une installation en [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], afin de récupérer les quantités importantes d'énergie (environ 65 % de l'énergie consommée) contenues dans les gaz d'échappement. La principale application de ce type consiste à injecter ces gaz, éventuellement après passage dans un tunnel de post-combustion, dans une chaudière de récupération, avec production d'eau chaude ou de vapeur.

2Conclusion

La turbine à gaz contribue dans une large mesure aux motorisations actuelles. Leur avantage de légèreté en impose l’usage dans l’aéronautique, tandis que dans le domaine des fortes puissances (production d’électricité) elles se démarquent par leur adaptation à des cycles combinés ou de cogénération très performants. Les moteurs à explosion eux ont leur puissance limitée à environ 10 MW pour des raisons de masse et d’encombrement.

nasri@samir