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Turbines à gaz Réalisé par: Encadré par: Oumaima Guergachi Adil Belhamri Donia

Turbines à gaz Réalisé par: Encadré par: Oumaima Guergachi Adil Belhamri Donia Gouaiche Sara Mamdouhi Sommaire I.Introduction II.Historique III.Principe de fonctionnement IV.Systèmes turbine a gaz 1.Compresseur 2.Chambre de combustion 3.Turbine V.Cycles de turbine a gaz VI.Applications 1.Industrie terrestre 2.Industrie aéronautique I.Introduction Les turbomachines, moteurs industriels, sont essentiellement caractérisées par le fait que la puissance mécanique résultant de la transformation de l'énergie hydraulique (turbines à eau) ou thermique (turbines à gaz et turbines à vapeur) est délivrée de façon continue par l'action d'un fluide à énergie élevée sur les ailettes, ou aubes, de une ou de plusieurs roues. Elles se distinguent donc des moteurs alternatifs, dont la mise au point et le développement ont précédé les leurs de près d'un demi-siècle et où l'action du fluide moteur donne lieu au déplacement rectiligne, à course limitée, de pistons dans un ou plusieurs cylindres, ce mouvement linéaire alternatif étant ensuite transformé en mouvement circulaire par des transmissions mécaniques (système bielle-manivelle). Depuis les années 1970 et à la suite du développement des technologies correspondantes, les turbines ont progressivement remplacé les moteurs alternatifs dans la plupart de leurs applications (moteurs d'avions, centrales électriques, moteurs pour locomotives, compresseurs industriels) ; les moteurs pour véhicules routiers (moteurs à « explosion » et diesels) constituent pour l'instant les seuls domaines réservés des moteurs à pistons malgré des travaux de recherches pour l'utilisation de la turbine à gaz. II.Historique L'idée d'une turbine à gaz à combustion interne, ou d'une turbine à air chaud, est assez ancienne. Dès 1731, l'Anglais John Barber déposa un brevet sur ce sujet. Cependant, il fallut attendre environ cent ans avant que la turbine à gaz ne prenne son essor. Son développement fut longtemps retardé par le succès de la turbine à vapeur (turbine à action de Gustave Laval en 1883 et turbine à réaction de Charles Parsons en 1884). L'intérêt pour la turbine à gaz conduisit à une activité fiévreuse de dépôts de brevets entre 1880 et 1900 et à de nombreuses expériences entre 1900 et 1910. Les principaux projets de recherche durant cette période sont l'œuvre des personnalités suivantes : – L'Allemand Stolze proposa une turbine à air chaud comportant un compresseur axial multi-étage et une turbine axiale (1900-1904), mais la machine ne tourna jamais. – L'Allemand Holzwarth proposa (1906-1908) une turbine à gaz à explosion. Celle-ci fut construite par Koerting puis par Brown Boveri (1909-1913). Elle était équipée de deux étages de turbine Curtis suivant une configuration proposée par le Français Karovadine (1906). Le système fut abandonné en 1928. – Les Français Armangaud et Lemale proposèrent la turbine à gaz à combustion interne (1903-1905) comprenant un compresseur radial, une roue de turbine à action, un réfrigérant à eau placé à l'aval et permettant de produire de la vapeur (le principe de la cogénération turbine à gaz-turbine à vapeur était énoncé). Étant dirigée sur la roue mobile, cette vapeur conduisait à l'obtention d'une puissance supplémentaire. Cependant, les chocs thermiques endommagèrent les disques et les aubes de la turbine, et le projet fut abandonné en 1909 avec le décès d'Armangaud. – Comme l'Américain Sanford Moss, le Norvégien Aegidius Elling utilisa, en 1903, les mêmes principes qu'Armangaud et Lemale, mais indépendamment de leurs travaux. Au lieu d'envoyer directement la vapeur sur les aubes de turbine, celle-ci était mélangée préalablement avec le courant de gaz avant d'entrer dans la roue. Les chocs thermiques étaient ainsi annulés. Le système fut amélioré d'abord en 1904, puis entre 1924 et 1932. Les principales idées d'Aegidius Elling étaient très saines et servirent de base pour la technologie des turbines à gaz modernes. La première turbine à gaz industrielle opérationnelle fut construite en 1930. Dans le domaine aéronautique, il fallut attendre 1921 pour trouver trace d'un brevet français déposé par Guillaume, qui montre le principe du turboréacteur simple flux moderne tel qu'on l'utilise encore aujourd'hui. Puis, dans les années 1920, de nombreux brevets et inventions ont contribué à la promotion du moteur à réaction moderne. Pour ce qui concerne les premières réalisations, nous citerons les travaux de en Angleterre et de Hans Von Ohain en Allemagne. Dès 1935, Von Ohain et Max Hahn déposèrent un brevet de turboréacteur comprenant un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire à retour située autour de l'entrée d'air et une turbine centripète. Sur cette base, la société Heinkel étudia le premier turboréacteur HeS1, qui propulsa un avion monomoteur en août 1939. Quant à Whittle, il déposa des brevets sur le turboréacteur en 1930 et en 1936. En 1937, avec le concours de la British Thomson- Houston, il fit tourner son premier turboréacteur WU au banc. Le premier moteur de vol Whittle W1, dessiné par Power Jets et réalisé par British Thomson-Houston, fut essayé au banc en 1938. Son premier vol d'essai eut lieu en mai 1941 sur un appareil Gloster E 28/29. Citons, enfin, les essais au banc d'un turboréacteur par Sensaud de Lavaud et Brunet en 1937. Cependant, la durée de vie de ce prototype ne dura guère plus de dix minutes. III.Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement de la turbine a gaz consiste a soumettre un certain débit d’air, successivement a une compression, une combustion et une détente.L’air aspiré par le compresseur a multiples étages est comprimé jusqu’à environ 10 bars. A l’échappement de compresseur, une partie de l’air comprime ( air carburant ) subit une combustion, la température des gaz chauds obtenue atteint environ 1000°C (température admission turbine ). L’élévation de la température permet ainsi de porter au fluide moteur de l’énergie calorifique. A la sortie des chambres de combustion les gaz chauds traversent les étages turbine pour transformer l’énergie calorifique ainsi obtenue en énergie mécanique. Cette énergie mécanique sera donc énergie nécessaire pour l’entraînement, d’une part du compresseur et d’autre part de l’alternateur (charge ). L’énergie mécanique nécessaire pour l’entraînement du compresseur est environ le 2/3 de énergie totale produite par la détente des gaz chauds. Dans la grande majorité des cas l’aspiration du compresseur est directement liée a l’atmosphère, de même l’échappement de la turbine est généralement liée a l’atmosphère soit directement soit par l’intermédiaire d’un récupérateur de chaleur exemple cycle combine. L’air comburant fourni aux chambres de combustion est par conséquent constamment renouvelé et les gaz détendus ne reviennent plus dans le circuit. Une telle turbine a gaz est dite a cycle ouvert. Pour les turbines a cycle ouvert, les fluides traversant la turbine proprement dite diffèrent de celui qui traverse le compresseur aussi bien par son débit massique que par sa nature. En effet ce fluide est un mélange de gaz de combustion pour la turbine, et son débit massique est égal a la somme des débits massique de l’air et du combustible. alors que pour le compresseur axial le fluide est simplement de l’air. IV.Systèmes turbine a gaz Dan s sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz (aussi appelée turbine à combustion) est composée de trois éléments 1.Compresseur Le compresseur de type turbomachine est soit un compresseur axial, soit un compresseur hélicoïdal, soit encore un compresseur centrifuge, suivant la forme donnée à la veine fluide. Les compresseurs axiaux généralement employés pour les machines de forte puissance, où la minimisation du maître couple est un impératif, comportent une succession d'étages. Chaque étage est constitué d'un disque tournant muni d'ailettes et d'une rangée d'aubes fixes, l'ensemble des disques mobiles étant solidaire de l'arbre. La turbine fournit la puissance nécessaire à l'entraînement du compresseur. Le transfert d'énergie, depuis l'arbre vers le fluide, est assuré par l'ensemble des ailettes mobiles. Celles-ci impriment au fluide un moment cinétique dirigé dans le sens de rotation de l'arbre. Ce moment cinétique est ensuite annulé dans la rangée d'aubes fixes suivante. Les aubages mobiles et fixes sont calés au bord d'attaque de façon à être dirigés au point de fonctionnement nominal de la machine, suivant la vitesse de l'écoulement repérée soit dans le référentiel tournant lié aux roues (cas des roues mobiles), soit dans un système d'axes fixe (cas des roues fixes). Le calage des aubages au bord de fuite est sélectionné de façon à imprimer au fluide la déviation souhaitée visant à créer un moment cinétique (cas des roues mobiles) ou, au contraire, à annuler ce moment cinétique (cas des roues fixes). L'ensemble des roues mobiles et des roues fixes contribue à l'accroissement de la pression. En effet, dans chaque roue mobile, le transfert d'énergie, depuis l'arbre vers le fluide, se trouve réalisé par accroissement simultané de l'énergie cinétique et de la pression. En complément, dans les roues fixes, l'excédent d'énergie cinétique est à son tour converti en un deuxième accroissement de la pression. Les compresseurs centrifuges sont généralement réservés pour les puissances modérées et dans les situations où les questions de maître couple apparaissent secondaires. Ce sont des composants rustiques et bien adaptés pour les applications industrielles. Un étage de compresseur centrifuge comprend une roue mobile, un diffuseur lisse, éventuellement un diffuseur à ailettes, un redresseur axial (configuration aéronautique) ou une volute (configuration industrielle). La roue mobile comporte un disque sur lequel sont montées des aubes. uploads/Industriel/ turbines-a-gaz-b.pdf