Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Turbines à gaz

Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à 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 pression 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 des gaz d'échappement ;

  • une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Sous cette forme, 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 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 à 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 °C.

La chambre de combustion est normalement construite en alliage réfractaire. 

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 combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former 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 à 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 demi-siècle, on a ainsi pu relever progressivement (d'environ 20 °C par an) le niveau de température d'entrée dans la turbine, pour atteindre aujourd'hui 1300 à 1500 °C.

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 mécanique.

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 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 ménageant une certaine porosité à travers la paroi.

Il faut donc introduire une fonction contrainte « Refroidir les aubages ».

Une fonction contrainte supplémentaire correspondant à 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 :

Références livre

Chapitre 2

Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Séances Diapason disponibles

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 S21, on fait l'hypothèse 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, O2 et Ar. La combustion est alors prise en compte. La séance S23 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.

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S20

Technologie des turbines à gaz (TAG)

30

18 mn

S21

Exercice TAG (air parfait)

29

12 mn 35 s

S22

Exercice TAG (gaz réel)

5

2 mn 30 s

S23

Exercice TAG (bilans exergétiques, régénération)

10

5 mn 50 s

S24

Exercice TAG simple

17

6 mn 30 s

S20_aero

Turbomoteurs et moteurs-fusée

27

16 mn

Les séances Diapason traitant des turbines à gaz à cycle fermé sont données dans le tableau ci-dessous, qui complète 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 S21He correspond à un cycle simple, et la séance S23 permet d'étudier une variante à régénération.

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S21He

Exercice TAG (He)

23

10 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 découvrir 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 explications théoriques, technologiques, méthodologiques... Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond aux connaissances qui ont été introduites au cours de la première étape du module d'auto-formation aux systèmes énergétiques, et les deux suivants à celles de la deuxième étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulations, 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 fois 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 à modéliser les cycles représentés, qui couvrent un large domaine de complexité.

copyright R. Gicquel

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