Dans ce premier module, nous poursuivons l'application aux turbines à gaz des réflexions sur l'amélioration des cycles qui ont été utilisées dans la troisième partie sur les cycles à vapeur .

A l'instar de ce que nous avons fait pour les centrales à vapeur, cette présentation commence par l'étude des turbines à gaz classiques, c'est-à-dire ici à combustion, et non pas spécifiquement de celles qui sont couplées à des réacteurs nucléaires, dont la particularité est de fonctionner en cycle fermé. Toutefois la problématique d'amélioration de leurs cycles est tout à fait analogue.

Dans le second module, deux séances Diapason vous apprendront à modéliser ces cycles avec Thermoptim, en construisant vous-même deux modèles de turbines à gaz à hélium :

• une turbine à gaz simple à cycle fermé, dont la source chaude est le cœur d'un réacteur nucléaire du type HTR.

• une turbine à gaz à régénération, simple amélioration de la précédente

Le volume horaire est d'environ 1 h 30 de travail, dont 5 mn de vidéos.

Rappels éventuels

Dans la deuxième partie du cours, nous avons étudié le fonctionnement des turbines à gaz (TAG), les technologies correspondantes et les évolutions de référence suivies par leurs composants. Référez-vous au premier module en cas de besoin.

L'exploration dirigée S-M4-V8 présente un modèle de turbine à gaz simplifié où la chambre de combustion est remplacée par un échauffement de l'air comprimé.

Dans la suite de ce module, nous utiliserons des modèles de turbines à gaz mettant en jeu de la combustion, mais vous n'aurez pas besoin de savoir précisément comment les propriétés thermodynamiques des produits de combustion sont déterminés. Il vous suffira de calculer la transfo correspondante.

Toutefois, si vous souhaitez vous initier à ces phénomènes, vous pouvez vous référer à l'exploration TAG 2, dont l'objectif est de vous guider dans vos premiers pas de paramétrage de la combustion d'une turbine à gaz. Dans ce cas, comme nous n'avons pas présenté dans ce cours les mécanismes de combustion, nous vous conseillons de commencer par étudier la première partie de ce module du Cours 2022 sur les Systèmes Énergétiques qui traite de ce sujet.

Cycle de turbine à gaz à régénération

Dans une turbine à gaz simple, les gaz d'échappement sont rejetés à haute température (typiquement entre 400 et 550 °C), tandis que la température de l'air sortant du compresseur est de l'ordre de 300 à 450 °C.

Il peut donc être envisageable de réchauffer partiellement cet air avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui réduit d'autant la consommation de combustible. Ce cycle est appelé cycle de turbine à gaz à régénération.

Cette figure montre le schéma d'une turbine à gaz à régénération.

Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à régénération.

Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.

Remarques

En utilisant le modèle Thermoptim qui fait l'objet de l'exploration dirigée proposée ci-dessous, vous pourrez vérifier que les limites de la régénération sont indépendantes de l'efficacité de l'échangeur, mais déterminées par la température de fin de combustion Tmax et par le rapport de compression/détente du cycle.

Exploration dirigée C-M2-V2

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Bilan exergétique de la turbine à gaz à régénération

La manière dont ce bilan peut être établi et la structure productive correspondante sont expliquées dans l'exploration dirigée BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles.

Le bilan exergétique de ce cycle est donné dans le tableau ci-dessous. Son rendement exergétique est de 36,8 %.

Comme le montre la comparaison avec le bilan exergétique de la turbine à gaz simple présenté ci-dessous, dont le rendement exergétique est seulement de 33,5 %, la perte correspondant aux gaz rejetés dans l'atmosphère est plus faible, mais reste la source majeure d'irréversibilités, sauf pour la chambre de combustion.

Bilan exergétique de la turbine à gaz de référence

Si vous analysez la répartition des irréversibilités, vous voyez d'une part que plus de la moitié se situent dans la chambre de combustion, ce qui n'est pas surprenant, du fait de la conversion de l'exergie chimique du combustible en chaleur, et d'autre part que 38,4 % correspondent au dégagement de gaz dans l'atmosphère

Étant donné que la tendance actuelle consiste à augmenter le taux de compression dans les turbines à gaz, la régénération est mal adaptée aux machines modernes utilisant des technologies avancées, à l'exception des turbines à combustion séquentielle. En revanche, elle est presque toujours utilisée pour les petites turbines (25-500 kW), appelées micro-turbines. Nous verrons que les cycles combinés permettent de valoriser l'enthalpie résiduelle disponible dans les gaz d'échappement lorsque la régénération n'est pas utilisable.

Cycle à compression et détente fractionnées

Une autre idée pour améliorer le cycle consiste à fractionner la compression ou la détente, comme le montre cette figure pour la compression. Cette opération peut le cas échéant être répétée plusieurs fois.

Remarques

Cette variante du cycle de la turbine à gaz est une solution intéressante en terme de performances, mais peu mise en œuvre en pratique pour des raisons technologiques et économiques diverses.

Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à refroidissement intermédiaire.

Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

• Placement sur image : Cycle à refroidissement intermédiaire

Exploration dirigée C-M2-V3

Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Vous trouverez une présentation des turbines à gaz dans cette page du portail Thermoptim-UNIT

Grâce à ce programme, à la fin du module,

• vous aurez pu mettre en application les réflexions sur les différentes manières de réduire les irréversibilités

• vous connaîtrez les principales variantes des cycles de turbines à gaz.