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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 205 − 1 Machines hydrauliques et thermiques Introduction par Michel PLUVIOSE Professeur au Conservatoire national des arts et métiers Président du comité technique de l’Association technique pour les turbomachines et les turbines à gaz (ATTAG) Ingénieur-conseil au Centre technique des industries mécaniques (CETIM) endant longtemps, des quatre éléments de la nature, seuls l’air et l’eau furent mis à contribution comme sources d’énergie mécanique naturelle : ailes de moulins à vent, voiles des navires, roues hydrauliques furent les pre- miers appareils moteurs n’utilisant pas la force humaine ou animale. Ce n’est qu’en 1690 que Denis Papin conçut et démontra la possibilité de réa- liser un moteur capable de fournir sur place une énergie utilisable à des ﬁns quelconques en mettant en jeu le feu et l’eau dans une machine à vapeur. Ainsi, après avoir découvert que le chauffage de l’eau, à haute température dans une enceinte, créait de la pression, il fut très vite évident qu’on pouvait réaliser une machine motrice en introduisant la vapeur d’eau d’un côté d’un piston. La science de la thermodynamique a son origine dans les immortelles « Réﬂexions sur la puissance motrice du feu » de Carnot (1824) et dans les tra- vaux de Clausius. Par suite, la théorie des moteurs thermiques qui en découle, et qui est à la fois le fruit de longs tâtonnements empiriques antérieurs et la source du développement raisonné de la technique ultérieure, est donc, par rap- port à l’histoire de l’humanité, relativement récente. Les moteurs thermiques ont engendré le machinisme et l’industrie moderne, puis ont provoqué leur essor accéléré en même temps qu’ils ampliﬁaient prodigieusement la facilité et la rapi- dité des transports. Les machines, qui font l’objet du présent volume du traité Génie mécanique des Techniques de l’Ingénieur, utilisées pour produire ces cycles moteurs, furent d’abord des machines alternatives à pistons. Leur création demandait, en effet, davantage d’ingéniosité que de connaissances physiques ou mathématiques. Néanmoins, l’idée des machines rotatives faisait lentement son chemin : dans les moulins à eau, le liquide introduit dans des sortes de godets entraînait la roue par l’action de la pesanteur ; dans les moulins à vent, c’était la déviation des ﬁlets d’air par les ailes qui provoquait la rotation de celles-ci. Vers 1900, la mécanique des ﬂuides avait fait sufﬁsamment de progrès pour que les turbomachines apparaissent avec principalement les pompes et venti- lateurs centrifuges, ainsi que les turbines à eau et à vapeur. Ces turbomachines se développèrent, notamment sous l’impulsion d’Auguste Rateau. Il fallut attendre 1925 pour voir apparaître le premier compresseur axial, puis 1944 pour que les premiers turboréacteurs prennent le relais des moteurs à pistons d’aviation. Ces machines étaient encore lourdes et encombrantes. L’apparition des compresseurs transsoniques centrifuges (1960) puis axiaux (1970) ainsi que des turbines à aubes refroidies allait encore diviser par deux le poids de ces unités. Aujourd’hui, une turbine à gaz d’aviation a une masse d’environ 200 grammes par kilowatt fourni. À la ﬁn du siècle dernier, la machine à vapeur de Clément Ader, qui était une petite merveille, fournissait 14 kW pour une masse de 61 kg, soit une masse spéciﬁque de plus de 4 kg/kW. On a donc gagné un facteur 20 en moins d’un siècle. P MACHINES HYDRAULIQUES ET THERMIQUES ________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 4 205 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique L’évolution n’est pas terminée, et nous verrons encore des gains specta- culaires sur le poids, par l’introduction des matériaux en ﬁbre de carbone, sur le volume par l’arrivée de compresseurs entièrement supersoniques, sur le rendement par un meilleur contrôle de la couche limite, sur le prix par une géné- ralisation de la fonderie d’alliages à haute résistance. Par ailleurs, les effets négatifs des machines et turbomachines (bruit, vibra- tions, pollutions) font l’objet de développements fort prometteurs. Ces machines hydrauliques et thermiques couvrent une gamme de pression très étendue (du vide le plus poussé jusqu’à des centaines de bars) et une gamme de puissance allant du watt à des centaines de mégawatts ; certaines de ces machines peuvent être mises en concurrence dans diverses applications. But du volume Il n’existe que peu d’ouvrages en langue française consacrés aux machines et les quelques cours polycopiés des écoles d’ingénieurs que l’on peut se pro- curer traitent du sujet sous un angle, en général, purement théorique. Il en est souvent de même des ouvrages étrangers. Les machines hydrauliques et thermiques sont, dans le monde entier, l’objet d’une évolution technologique considérable, par suite d’un développement de leurs applications dans divers domaines : technologie du vide, chimie, pétro- chimie, cryogénie, transport de ﬂuides, production d’énergie électrique, trans- ports, etc. Ce volume qui comprend une très importante partie technologique intéressera tous ceux qui, dans l’industrie, ont à connaître de ces machines, à des titres divers : constructeurs, installateurs des sociétés d’ingénierie, exploitants, etc. Il est le fruit de l’expérience industrielle, et souvent pédagogique, des différents auteurs qui ont bien voulu s’associer à sa réalisation et qui ont pris soin de bien déﬁnir les zones de fonctionnement de leurs machines, ainsi que les avantages et inconvénients liés à leur utilisation. Division de la rubrique Les parties principales de la rubrique sont commentées brièvement ci-après. La première partie traite des propriétés des différents corps (liquides ou ﬂuides incompressibles, liquides condensables ou vapeurs, gaz ou ﬂuides compressibles) mis en jeu usuellement dans le fonctionnement des diverses machines objets des développements ultérieurs. Un article relativement important sera ainsi consacré aux diagrammes ther- modynamiques de la vapeur d’eau et de l’air dont l’emploi industriel est le plus développé. Le lecteur retrouvera, bien entendu, dans les traités de base les caracté- ristiques générales des autres ﬂuides, mais il est apparu souhaitable de faire ﬁgurer en tête de ce volume les caractéristiques essentielles utilisées lors des manipulations de ces ﬂuides usuels par le constructeur ou l’exploitant des machines. Les aspects normatifs nationaux et internationaux spéciﬁques aux machines volumétriques et aux turbomachines ainsi que leurs imbrications font l’objet d’un chapitre spéciﬁque. La seconde partie concerne les machines volumétriques proprement dites, leur analyse fonctionnelle, leurs courbes caractéristiques, les possibilités d’amé- lioration de leur rendement, leur domaine d’utilisation, etc. Les machines hydrauliques utilisent des ﬂuides incompressibles. Les ﬂuides de travail des machines thermiques sont des ﬂuides compressibles qui suivent lors de leur évolution, outre les principes de la mécanique, ceux de la thermo- dynamique. La thermodynamique est une science dont les développements sont considé- rables et qui a des ramiﬁcations dans des domaines extrêmement variés ; la thermodynamique appliquée est traitée en génie énergétique. Les connais- sances qui sont indispensables à l’étude des machines thermiques n’en sont qu’une partie ; celle-ci est développée ci-après lors de la théorie générale des turbomachines en particulier. _______________________________________________________________________________________________ MACHINES HYDRAULIQUES ET THERMIQUES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 205 − 3 Cette seconde partie traite également des problèmes rencontrés lorsque les ﬂuides véhiculés se trouvent dans des conditions extrêmes, telles que l’ultra- vide dans les gaz raréﬁés (pression < 10 –5 Pa) ou, au contraire, les fortes pres- sions (plusieurs centaines de bars). Les machines, qu’elles soient hydrauliques ou thermiques, se subdivisent en machines de compression et en machines de détente. Beaucoup de notions étant communes aux machines de compression et de détente, elles seront donc indifféremment exposées à propos de l’une ou l’autre d’entre elles. Il s’agit, non seulement, du théorème d’Euler qui est à la base de toute l’étude du fonction- nement des turbomachines, mais par exemple aussi de l’étude des pertes par fuites et par frottements de disques. C’est également le cas de l’étude des écou- lements dans les aubages avec l’application à ces écoulements des lois géné- rales de la mécanique des mouvements absolus et relatifs. La troisième partie comprend donc d’abord des exposés de rappel des notions générales indispensables pour comprendre le fonctionnement des tur- bomachines et pour en étudier les perfectionnements désirables. Les possibilités modernes de simulation numérique des écoulements dans les turbomachines à ﬂuide incompressible ou compressible ont été introduites dans ce nouveau traité. Les exposés préliminaires à une bonne compréhension de leur fonction- nement ayant été présentés, il reste à analyser séparément les turbomachines hydrauliques et thermiques, de manière à faire ressortir, pour chacune d’elles, leurs aspects particuliers. La partie correspondante débute par les turbo- machines les plus couramment rencontrées : les pompes centrifuges ou pompes rotodynamiques à ﬂuide incompressible et se poursuit par les machines de détente à ﬂuide incompressible (hélices marines, turbines hydrauliques) ; puis viennent les machines à compression de ﬂuide compressible (ventilateurs, compresseurs), et enﬁn les turbomachines de détente à ﬂuide compressible (tur- bines à vapeur et turbines de récupération d’énergie). Bien que l’utilisation des machines hydrauliques et thermiques, en particulier dans les cycles moteurs, ne fasse plus partie du présent volume, il a uploads/Industriel/ bm4205-pdf.pdf