Turbine à gaz - Définition et Explications

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Introduction

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 moteurs à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie...) sous la forme de la rotation d'un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...), directement à partir de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) produits par la combustion d'un hydrocarbure (fuel, gaz combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...)...) qui subissent une détente dans une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...). Le comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un...), le plus souvent de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) ambiant, est généralement comprimé avant de pénétrer dans la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...), 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 gazeux des produits de combustion, par opposition aux turbines à vapeur () dans lesquelles le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) (de la vapeur d'eau) se condense en liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...).

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.

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

Principe de fonctionnement

La turbine à gaz est un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) 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 moteur 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 ;
  • un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) isobare comme pour un moteur Diesel ;
  • 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. 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 (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 ;
  • 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 (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de...). 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

Le compresseur (repère C), constitué d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) d'ailettes fixes (stator) et mobiles (rotor), comprime l'air extérieur (rep. E), simplement filtré, jusqu'à 10 à 15 bars, voire 30 bars pour certains modèles.

Du gaz (rep. G), ou un combustible liquide pulvérisé, est injecté dans la (les) chambre(s) de combustion (rep. Ch) où il se mélange à l'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux...) et s'enflamme. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (rep. T), où 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 énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...). La turbine est constituée d'une ou plusieurs roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) également munies d'ailettes précédées d'aubages fixes (directrices). Les gaz de combustion 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 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) récepteur(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...).

Dans certaines machines, en particulier "heavy duty" modernes, la charge est entraînée par l'arbre côté compresseur, ce qui permet de placer un diffuseur très efficace en ligne à la sortie des gaz chauds avant de les envoyer à la cheminée ou à la chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...) de récupération. Cela permet également de diminuer fortement les problèmes d'alignement relatif de la turbine et de la charge entre l'état froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et l'état chaud du groupe.

Rendement

Le rendement faible de la turbine à gaz (25 à 35 %) est dû au fait que, comme dans un moteur à pistons, une partie de l'énergie fournie par le combustible est nécessaire pour entraîner le compresseur et une autre 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 1 200 °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 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 (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le...) 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 puissance unitaire 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...) (contenant généralement peu de soufre) ou de combustible liquide sans soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) permet une émission faible de dioxyde de soufre (Le dioxyde de soufre (ou anhydride sulfureux) est un composé chimique constitué de deux...) (SO2) ; des chambres de combustion particulières avec des injecteurs spécifiques permettent une émission faible 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 (installation et maintenance)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.

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