Turbine à gaz - Définition et Explications

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Une turbine à gaz, appelée aussi turbine à combustion, est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique (rotation d'un arbre) à partir de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) contenue dans un hydrocarbure (fuel, gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...)...).
Le turboréacteur (Le turboréacteur est un système de propulsion essentiellement utilisé pour les...) est une turbine à gaz (Une turbine à gaz (dénomination historique), appelée aussi turbine à combustion...) particulière qui utilise le principe de la réaction pour propulser certains types d'avions rapides.

Principe de fonctionnement

La turbine à gaz est un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) réalisant les différentes phases de son cycle thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) dans une succession d’organes traversés par un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) par rapport aux moteurs à pistons qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction...) (généralement un cylindre).

Dans sa forme la plus simple, la turbine à gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et schématiquement:

  • une compression adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut...) qui consomme de l’énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...),
  • un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) isobare comme pour un moteur diesel (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le...),
  • une détente adiabatique jusqu’à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) ambiante qui produit de l’énergie mécanique,
  • un refroidissement isobare.

Le rendement est le rapport du travail utile (travail de détente – travail de compression) à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) fournie par la source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température...). Le rendement théorique croit avec le taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données...) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...). 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 (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...). Dans ce cas, la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) à l’atmosphère. La turbine à gaz peut également être à cycle fermé (Dans l'industrie nucléaire, la fermeture du cycle du combustible nucléaire désigne le recyclage...) et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des échangeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) 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 (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...),
  • compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 isothermes 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 cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling présente un rendement théorique égal au rendement maximal du cycle de Carnot (Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéal constitué de quatre processus...). Cette supériorité théorique par rapport aux cycles Otto et Diesel 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 (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) des échangeurs gaz/gaz.

Principes

Coupe longitudinale d'une turbine à gaz - Principaux organes
Coupe longitudinale d'une turbine à gaz - Principaux organes

Le compresseur (repère C), constitué d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) munies d'ailettes, comprime l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) extérieur (rep. E), simplement filtré, jusqu'à 10 à 15 bars, voire 30 bars pour certains modèles.

Du gaz (rep. G), ou un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) atomisé, est injecté dans la chambre de combustion (rep. Ch) où il se mélange à l'air compressé et s'enflamme. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (rep. T), ou l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) des gaz chauds est transformée en energie mécanique, la dite Turbine est constituée d'une ou plusieurs roues également munies d'ailettes et s'échappent par la cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment,...) (rep. Ec)à travers un diffuseur. Le mouvement de rotation de la turbine est communiqué à l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) A qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) qui n'est autre qu'un appareil (machine) recepteur(ice)(pompe, alternateur...) accouplé à son extrémité droite. Pour la mise en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...), on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) le rôle de démarreur (Le démarreur est un moteur électrique auxiliaire alimenté par la batterie d'accumulateurs et...). Le réglage de la puissance et de la vitesse (On distingue :) de rotation est possible en agissant sur le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) de l'air en entrée et sur l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) du carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...).

Rendement

Le rendement faible de la turbine à gaz (25 à 35%) est dû au fait que l'énergie fournie par le combustible est détournée par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Il est possible d'améliorer légèrement le rendement en augmentant la température dans la chambre de combustion (plus de 1200°C) mais on se heurte au problème de tenue des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) utilisés pour la réalisation de la partie turbine. C'est en récupérant la chaleur des gaz d'échappement (chauffage, production de vapeur ()...) que le rendement global de la machine peut dépasser 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'échappement (plus de 500 degrés) pour produire de la vapeur dans une chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...). Une autre possibilité d'augmenter le rendement de la turbine, est de réchauffer les gaz en sortie des étages de compression (avant les chambres de combustion)en les faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) dans un échangeur situé dans le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) des gaz d'échappement.On arrive ainsi à 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 utilisée de deux manières :

  • la centrale à cycle combiné où une turbine à vapeur complète la turbine à gaz pour actionner un alternateur, le rendement global atteint alors 55% voire 60% dans les dernières centrales à l'étude.
  • la cogénération (La cogénération (ou « co-génération ») est un principe de...) où la vapeur produite est utilisée dans un autre domaine (papeterie...)

On fabrique des turbines à gaz de puissances allant de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts.

Pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le...)

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 (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) (NOx). L'utilisation de gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...) permet une émission faible de dioxydes de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (SO2) et de monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule...) (CO). Les modèles peu polluants sont surtout installés par les pays développés (Les pays développés à économie de marché (PDEM) sont des pays dont la...) tandis que les turbines à gaz de conception moins sophistiquée et de prix moins élevé sont préférées par les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) en voie de développement.

Applications de la turbine à gaz

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 (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa...) d’eau à l’admission. L’air comprimé est réparti en trois flux :

  • une alimentation stoechiométrique vers le brûleur alimenté en carburant,
  • un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mélangé aux produits de combustion du bruleur,
  • un flux destiné au refroidissement de la turbine.

Contrairement au moteur à piston, la combustion est continue et il faut donc limiter la température par un large excès d’air pour maintenir la température à une valeur acceptable (jusqu’à 1300 °C en entrée de turbine contre plus de 2000 °C en pointe). Ceci est très pénalisant pour le rendement.

Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion en entrée de 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 cycle combiné 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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement à charge partielle et variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) ce qui est le cas des moteurs destinés à la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....). 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 de son premier étage (turbine de feu) pose des problèmes métallurgiques liés à la température élevée et à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) centrifuge s’exerçant sur les aubages mobiles. Elle nécessite l’emploi d’aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) et un refroidissement énergique par de l’air de charge prélevé sur le compresseur. L’utilisation de matériaux céramiques est à l’étude pour augmenter la température.

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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d’étage 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’usinage des aubages notamment de la turbine.
  • Inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs.
  • Coût de maintenance plus élevé que pour un moteur diesel
  • Bien qu'à l'étude, les turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul (Le fioul (terme recommandé en France par la DGLFLF) ou mazout (terme recommandé par...) lourd contrairment au moteur diesel. Elles utilisent donc des carburants chers.

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

  • puissance massique (La puissance massique est le ratio d'une puissance (en W) par une masse (en kg). La puissance...) et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu,
  • simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et équilibrage (peu de vibrations),
  • pollution limitée en HC et NOx (NOx, de N symbole de l'azote, O celui de l'oxygène et x représentant une...) du fait de l’excès d’air et de la température limitée,
  • aptitude à la récupération de chaleur (cogénération),
  • longévité (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est...) en marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) stationnaire.
  • aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz pauvre, fuel lourd).

Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...) en particulier sur les hélicoptères. 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 (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) 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 MW. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des cycles combinés 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 cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur).

Turbocompresseur

Ce terme a 2 significations :

  • un compresseur (en général, centrifuge) entraîné par une turbine (en général, à gaz),
  • une turbine entraînée par les gaz d'échappements qui compresse (Une compresse (du Latin compressa désignant une chose pliée et serrée) est une...) 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 piston 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 cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre...) 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 (Un moteur à combustion interne est un moteur dont la combustion (production d'énergie) va se...) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en réduisant leurs inconvénients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) 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 aujourd’hui par les turbocompresseurs dits " à géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) variable " munis d’aubages fixes à incidence variable.

Propulsion

C'est grâce à leur puissance massique et puissance volumique élevé que de petites turbines sont utilisées pour motoriser les hélicoptères. Des trains (Turbotrain), mais aussi des chars d'assaut, des navires... sont propulsés par des turbines à gaz de puissance moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...). Les turboréacteurs et les turbopropulseurs sont des turbines à gaz utilisées en aéronautique pour propulser des aéronefs modernes et rapides.

Moteur

L'industrie pétrolière (L'industrie pétrolière traite de la chaîne industrielle du pétrole et du gaz...) utilise des turbines à gaz pour entraîner des pompes et compresseurs pour les pipelines.

Production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...)

La turbine à gaz de grande puissance (>1 MW) est surtout utilisée pour entraîner un alternateur et produire de l'électricité. Les infrastructures et le génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les...) nécessaires pour une centrale électrique (Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel destiné...) équipée de turbines à gaz sont réduits, ce qui permet d'installer en quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) 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°C. Un des avantages des centrales à turbine à gaz est le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réduit pour la mise en œuvre, le gestionnaire d'un réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue...) électrique peut ainsi moduler facilement la capacité de production pour s'adapter aux variations de la consommation.

L'installation d'un groupe électrogène (Un groupe électrogène est un dispositif autonome capable de produire de l'électricité. La...) à turbine à gaz peut s'accompagner d'une installation en cogénération, 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 (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) de post-combustion, dans une chaudière de récupération, avec production d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) chaude ou de vapeur.

Conclusion

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 (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) eux ont leur puissance limitée à environ 10 MW pour des raisons de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) et d’encombrement.

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