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Sommaire Chapitre 4 : Cycle de Turbine à gaz ..................................

Sommaire Chapitre 4 : Cycle de Turbine à gaz ...................................................................... 26 4.1 Turbomoteur ou turbopropulseur.............................................................................. 26 4.1.1 Cycle réversible de Brayton .................................................................................... 26 4.1.2 Cycle ouvert irréversible de Brayton ...................................................................... 27 4.1.3 Amélioration du cycle - Valorisation de l’énergie.................................................. 29 4.2 Turboréacteurs............................................................................................................. 31 4.2.1 Généralités............................................................................................................... 31 4.2.2 Cycle de Turboréacteur simple au point fixe .......................................................... 32 4.2.3 Cycle du turboréacteur simple en vol...................................................................... 33 4.2.4 Cycle du turboréacteur double débit ou double flux............................................... 33 4.2.5 Turboréacteur double flux, double corps ................................................................ 34 4.2.6 Turboréacteur double flux, simple corps................................................................ 34 4.2.7 Exemples de réalisations industrielles.................................................................... 35 Chapitre 4 : Cycles de Turbines à gaz Les turbines à gaz sont séparées en deux catégories selon la nature de la puissance récupérée du fluide en sortie de la turbine : • Les turbomoteurs et turbopropulseurs : La turbine à gaz génère de la puissance mécanique extraite d’un arbre. Cet arbre peut entraîner un rotor d’hélicoptère, une hélice d’avion (turbopropulseur), un alternateur (groupe électrogène). Fig. 4.1 : Principe du turbomoteur ou turbopropulseur Fig. 4.2 : Principe du turboréacteur • Les turboréacteurs La turbine à gaz génère de l’énergie cinétique sous forme d’un jet à haute vitesse qui sert à la propulsion des avions. Le cycle thermodynamique qui représente les transformations des turbines à gaz est le cycle de Brayton. 4.1 Turbomoteur ou turbopropulseur 4.1.1 Cycle réversible de Brayton Le cycle réversible de Brayton est composé de quatre transformations : - une compression isentropique - un apport de chaleur ou combustion isobare - une détente isentropique - un retrait de chaleur isobare On défini deux rapports : Le rapport thermique de compression : γ γ λ 1 1 2 ) ( − = P P Y.Timoumi –ENIM - 09 26 Le rapport des températures : 1 3 T T = τ Fig. 4.3 : Cycle théorique de Brayton Les travaux et chaleurs échangés pendant les transformations élémentaires sont donnés: Travail de compression : ( ) 1 1 − = λ T C W P C is Travail de détente : ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− = λ τ τ 1 T C W P D is L’apport de chaleur : ( ) λ τ − = P ch C Q Retrait de chaleur : ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = 1 1 λ τ T C Q P fr Le travail utile est : ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− − = − = λ λ τ 1 1 1 T C W W W P C is D is u Le rendement thermique est : λ λ η 1 − = = ch u th Q W Le rendement exergétique est : τ τ λ λ η η η / ) 1 ( / ) 1 ( − − = = Carnot th ex Le rendement thermique croit avec le rapport des pressions :λ 4.1.2 Cycle ouvert irréversible de Brayton Y.Timoumi –ENIM - 09 27 Fig. 4.4 : Cycle ouvert de Brayton Le cycle ouvert irréversible de Brayton est composé de trois transformations : • Une compression adiabatique, de rendement isentropique de compression : C is η L’air est assimilé à un gaz parfait, le débit d’air entrant dans la machine est : air m . • Un apport de chaleur isobare (combustion) Le débit de combustible brûlé lors de la combustion est : . comb m . En fin de combustion, l’air et les fumées de combustion sont assimilés à un gaz parfait de propriétés : Cpg et g γ • Une détente adiabatique, de rendement isentropique de compression D is η On introduit trois rapports : deux rapports thermiques de compression et un rapport des températures : 1 3 4 3 1 4 3 1 2 1 1 2 , T T r T T P P T T P P is g g is = = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − − γ γ γ γ λ λ , Les travaux et chaleurs échangés pendant les transformations élémentaires sont: Travail de compression : ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + = − = C is p C T T avec T T C W η λ 1 1 1 2 1 2 Apport de chaleur : ( ) 2 3 2 3 T C T C ou T T C Q p pg p comb − ≅ − ≅ Travail de détente : ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − = − = g D is pg D is T T avec T T C W λ η 1 1 1 3 4 4 3 Le bilan du cycle (en supposant que le fluide est toujours de l’air) est donné ci-dessous. On remarque que le rendement thermique augmente avec le rapport des températuresτ . La valeur usuelle du rendement est de : 25%-30%. Y.Timoumi –ENIM - 09 28 La puissance utile est : ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = C is D is p air utilt T C m P η λ τη λ λ 1 1 . L’expression du rendement thermique est : C is C is D is th η λ τ η λ η τ λ λ η 1 1 1 − − − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 4.1.3 Amélioration du cycle - Valorisation de l’énergie Il existe plusieurs voies d’améliorations du cycle de Brayton. 1.0.0.0 Fractionnement de la compression et de la détente Il consiste à introduire un refroidissement (resp. réchauffement) intermédiaire entre plusieurs compressions (resp. détentes) adiabatiques de taux de compression (resp. détente) moindre. Fig. 4.5 : Amélioration du cycle de Brayton par Fractionnement 2.0.0.0 Régénération Il consiste à récupérer la chaleur des gaz chauds en sortie turbine, par l’intermédiaire d’un échangeur interne, pour chauffer les gaz après la compression et avant la combustion. Ceci est possible si la température τ λ 2 4 < > soit T T T4 Y.Timoumi –ENIM - 09 29 Fig. 4.6 : Amélioration du cycle de Brayton par régénération 4.1.3.3 Valorisation de l’énergie : cogénération cycle combiné Génération combinée d’électricité Récupération de la chaleur des gaz chaud en sortie turbine pour alimenter un cycle à vapeur. Fig. 4.7 : Principe du cycle combiné Génération combinée d’électricité et de chaleur (rendement proche de 60 %) Récupération de la chaleur des gaz chaud en sortie turbine pour alimenter un échangeur externe à eau pour la production d’eau chaude. Y.Timoumi –ENIM - 09 30 Fig. 4.8 : Amélioration du cycle par cogénération 4.2 Turboréacteurs 4.2.1 Généralités Un turboréacteur à pour objectif de générer un jet à haute vitesse servant à la propulsion à réaction. Le bilan propulsif est donné ci-dessous : Poussée en vol : ( ) ( vol sortie entrée sortie V V m V V m F − = − = . . ) Poussée intrinsèque est : 0 0 . T C V V T C m F P p vol sortie p − = = Fig. 4.9 : Volume de contrôle pour la détermination de la poussée d’un Turboréacteur Puissance utile ou puissance exercée sur l’écoulement est : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 2 2 . vol sortie V V m P Puissance de propulsion est : ( ) vol vol sortie vol prop V V V m V F P − = = . . Y.Timoumi –ENIM - 09 31 Rendement thermique : comb utile th P P = η Rendement propulsif : vol sortie vol utile prop prop V V V P P + = = 2 η Rendement thermopropulsif : prop th comb prop thprop x P P η η η = = Consommation spécifique (en kg/daN.h): F x m C comb s 3600 . = Consommation spécifique en (en kg/kWh): utile comb s P x m C 3600 . = 4.2.2 Cycle de Turboréacteur simple au point fixe Fig. 4.10 : Cycle théorique de Turboréacteur Les puissances échangées pendant les transformations élémentaires sont : Puissance de compression : ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + = − = C is p n compressio T T avec T T C m P η λ 1 1 1 2 1 2 . Puissance de combustion : ( ) 2 3 . T C T C m P p pg comb − ≅ Puissance turbine : ( ) 1 2 3 4 ' T T C C T T ou d P P pg p r compresseu turbine − − = = Puissance tuyère : ( ) ( ) 3 4 3 2 3 . 3 4 . 2 ' 2 T T C V vitesse la où d V m T T C m P pg pg utile − uploads/Litterature/ thermique-industrielle-chap-4.pdf