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MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CENTRE

MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CENTRE UNIVERSITAIRE BELHADJ BOUCHAIB AIN TEMOUCHENT Département de Génie Mécanique Spécialité : Master1 Energétique Mini-projet: Construction des turbomachines Présenté Par : Benamara ibrahim 2021/2022 Définition des turbomachines On appelle turbomachine un ensemble mécanique de révolution comportant une ou plusieurs roues (rotors) mobiles munies d aubes (aubages, ailettes) qui ménagent entre elles des canaux à travers lesquels le fluide s écoule. L échange d énergie s effectue dans le rotor et résulte du travail des forces aérodynamiques sur les aubes produites par l écoulement du fluide autour de celles-ci, et qui résultent principalement de la différence de pression entre les deux faces des aubes. Remarquons que, bien que le travail soit produit cette fois encore par les contraintes de pression, il se fait sans déformation de la frontière du système comme pour les machines volumétriques, mais simplement par rotation des aubes. 1. Classification des turbomachines De nombreux critères servent à classer les turbomachines. Les plus importants sont les suivants : 1.1 Sens de l échange d énergie On distingue les machines réceptrices qui reçoivent du travail et les machines motrices qui en fournissent. Parmi les machines réceptrices, on trouve les turbopompes, les ventilateurs, les turbosoufflantes, les turbocompresseurs et les hélices aériennes et marines. Les principales machines motrices sont les turbines à vapeur et à gaz, les turbines hydrauliques, ainsi que les éoliennes. Ces deux classes de machines présentent des différences importantes du point de vue de leur conception aérodynamique. En effet, les machines réceptrices sont le siège d une compression (élévation de pression) du fluide, alors que les machines motrices font intervenir une détente. Or, les pertes visqueuses dans les écoulements fluides sont très sensibles au gradient de pression et augmentent fortement lorsque celui-ci devient trop important, en raison du phénomène de décrochage 1.2 Direction principale du tube de courant Dans certaines machines, le tube de courant traversant la machine est essentiellement parallèle à l axe de la machine, et on les appelle donc des machines axiales. Les hélices aériennes et marines appartiennent à cette catégorie, mais aussi certains ventilateurs, ainsi que les compresseurs et turbines axiaux des turboréacteurs, et les turbines hydrauliques de type Kaplan. Dans de nombreux cas, en particulier dans les turboréacteurs, les machines axiales comportent plusieurs étages Dans d autres machines au contraire, le tube de courant traversant la machine est essentiellement perpendiculaire à l axe, et la machine est dite radiale (centrifuge ou centripète). Pour des raisons que l on discutera plus loin, on peut échanger une plus grande quantité d énergie dans un étage radial que dans un étage axial, de sorte que, pour une application donnée, une machine radiale comporte moins d étages que la machine axiale équivalente. Bien évidemment, au voisinage de l axe, l écoulement doit prendre une direction axiale. Il existe également des configurations intermédiaires, dites mixtes, dans lesquelles l écoulement a des composantes tant axiales que radiale. C est le cas par exemple des turbines hydrauliques de type Francis. Dans certaines machines enfin, l écoulement est tangentiel, c.-à-d. que les particules fluides se déplacent dans un plan parallèle à l axe de la roue. Outre ces deux catégories principales, on distingue également : les machines hydrauliques (à écoulements incompressibles) et les machines à écoulements compressibles ; les machines à action, dans lesquelles la pression reste constante à travers le rotor, et les machines à réaction dans lesquelles elle varie : on reviendra sur cette distinction plus avant ; les machines à admission totale, dans lesquelles le rotor est alimenté sur la totalité de sa surface d entrée, et les machines à admission partielle où seule une partie du rotor est alimentée. C est toujours le cas des turbines hydrauliques de type Pelton, et pour certaines turbines à vapeur pour lesquelles l admission partielle est utilisée pour le réglage du débit. L admission partielle est réservée aux machines à action. 2 Constitution des turbomachines Une turbomachine ne comportant qu un seul rotor est dite à simple étage ou encore monocellulaire. Les machines comportant plusieurs étages sont également appelées multicellulaires. Une machine monocellulaire complète se compose de trois organes distincts que le fluide traverse successivement 2.1: Le distributeur dont le rôle est de conduire le fluide depuis la section d entrée de la machine [identifiée par l indice 0] à la section d entrée du rotor [identifiée par l indice 1] en lui donnant une vitesse et une direction appropriées. Le distributeur peut être une simple canalisation ou comprendre une couronne d aubes fixes (stator, indispensable s il faut dévier l écoulement tangentiellement), appelées en anglais « Inlet Guide Vanes (IGV) ». Ces aubes sont parfois orientables afin de régler le débit. 2.2: Le rotor au sein duquel s effectue l échange d énergie par travail des forces aérodynamiques sur les aubes en rotation. 2.3: Le diffuseur dont le rôle est de collecter le fluide à la sortie du rotor [identifiée par l indice 2] et l amener à la section de sortie de la machine [identifiée par l indice 3]. Comme pour le distributeur, le diffuseur peut inclure une (voire deux) couronnes d aubes fixes. Ces aubes fixes sont notamment utiles lorsque l écoulement a une composante tangentielle de vitesse à la sortie du rotor et servent à ramener l écoulement dans la direction principale du tube de courant (axiale ou radiale), raison pour laquelle on utilise parfois le terme redresseur. Le distributeur et le diffuseur ne sont pas toujours présents, ou sont parfois réduits à un tronçon de canalisation. C est notamment le cas pour les hélices et éoliennes. Dans les machines multicellulaires, chaque étage ne comprend généralement que deux éléments, à savoir un distributeur et un rotor pour les turbines, et un rotor et un diffuseur pour les pompes et compresseurs, pour des raisons qui apparaîtront clairement par la suite. 3 Cinématique de l écoulement rotorique triangle des vitesses Pour analyser l écoulement dans un rotor de turbomachine, il est commode d exprimer la vitesse tantôt dans un repère lié aux parties fixes de la machine (distributeur, diffuseur, stator) appelée vitesse absolue et notée tantôt dans un repère lié aux parties tournantes de la machine (axe, roue) appelée vitesse relative et notée . La relation entre ces vitesses est simplement : C = W + U où est la vitesse d entraînement correspondant au mouvement du repère tournant. S agissant d un mouvement de rotation pure, la vitesse d entraînement vaut simplement : U= W * X ou, en exprimant le vecteur position ~x dans un système de coordonnées cylindriques et comme c.-à-d. que la vitesse d entraînement est purement tangentielle. Les vitesses absolues, relative et d entraînement étant dans un même plan, on les visualise aisément à l aide d un diagramme vectoriel dans ce plan, auquel on donne le nom de triangle des vitesses. On not respectivement a et B les angles entre un vecteur vitesse absolue (respectivement relative) et un vecteur vitesse d entraînement. 4 Mécanisme de l échange d énergie dans un rotor de turbomachine Théorème du moment cinétique Une forme dérivée de la 2e loi de Newton est le théorème du moment cinétique qui, pour un système fermé, s exprime comme Ou Cv et Cs sont les couples des forces de volume et de surface respectivement. La généralisation aux systèmes ouverts s obtient de la même manière que pour les premier et second principe. Le taux de variation du moment cinétique du système fermé constitué de la matière initialement contenue dans le système ouvert considéré est relié à celui du système ouvert par : puisque la quantité de mouvement massique n est rien d autre que le moment du vecteur vitesse . Et par ailleurs, les couples s appliquant sur le système ouvert sont identiques à ceux s appliquant sur le système fermé au moment initial où ils coïncident. Dans le cas d une turbomachine, seule la composante axiale du théorème du moment cinétique nous intéresse. Le moment cinétique par unité de masse d une particule (fluide ou solide) valant : La composante axiale vaut donc : La composante axiale du théorème du moment cinétique s écrit donc Appliquons ce théorème à un rotor de turbomachine tel que schématisé ci-dessous. On considère le système formé de la roue et du fluide entre les sections 1 et 2, supposé en régime permanent. Les frontières du système sont donc la section d entrée 1, la paroi fixe avant, la section de sortie 2, la paroi fixe arrière, et une coupe dans l arbre d entraînement de la roue dans l alignement de la uploads/Industriel/ construction-des-turbomachines-wps-office.pdf