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Groupe n° 2 Sous la direction de : Mr MOUKANGALA ALEX EXPOSE DE MOTEUR THERMIQU

Groupe n° 2 Sous la direction de : Mr MOUKANGALA ALEX EXPOSE DE MOTEUR THERMIQUE THEME : TURBINE A GAZ Institut International Polytechnique & Commerce Agrément définitif par l’Etat S/N°195 MES-CAB.DG-DAAC du 21/04/2021 Membres du groupe Ⅱ : TCHIBOUANGA TCHICAYA HEBRON BAPTISNEL NZAOU FRED MICHEL TCHINKATI TELCIMAN BANZOUZI LOICK GUIELE EXODE BILALA ALDJOVI NKOUDISSA ROGER MASSALA AUREL FILS MAVOUNGOU SONIA GOMA NOBLESSE GOMA FATOUMA MADELEINE NGAMBOU DOMINIQUE NZAMBI BREL NOMBO PRISCA POATY JOBREL MADEMA MBELE DUVAL SAFOU VINCIT BRIHAND LOEMBA JESSICA Sous la direction de : Mr MOUKANGALA ALEX 1 PLAN DU TRAVAIL INTRODUCTION OBJECTIF PRE-REQUIS GENERALITES TRAVAIL DEMANDE CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE 2 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 interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique sous la forme de la rotation d'un arbre, directement à partir de l'énergie cinétique des gaz produits par la combustion d'un hydrocarbure (fuel, gaz combustible...) qui subissent une détente dans une turbine. Le comburant, le plus souvent de l'air ambiant, est généralement comprimé avant de pénétrer dans la chambre de combustion, en utilisant un compresseur rotatif entraîné par le même arbre que la turbine. 3 OBJECTIF Le but de cette étude est d’emmener le lecteur à : Le fonctionnement et le rôle des turbines à gaz en Les avantages et les inconvénients des turbines à gaz Connaitre le cycle des turbines à gaz et les différents types de turbines à gaz PRE-REQUIS Connaissances en thermodynamique 4 I. GENERALITES : A. HISTORIQUE : L’idée d’une turbine à gaz ou d’une turbine à air chaud, est assez ancienne. Des 1731 l’Anglais John Barber déposa un brevet sur ce sujet. Cependant, il fallut attendre environ cent ans avant que la turbine à gaz se développe pour être mise en service . Entre 1935 et 1945, de nombreuses réalisations apparaissent, notamment dans le domaine aéronautique où les turbines à gaz bénéficient des actives recherches menées au cours de la dernière guerre mondiale. Le premier vol d’un avion équipé d’un turboréacteur a lieu en Allemagne, fin août 1939 (moteur HE S 3 monté sur avion Heinkel 178 V1),réalisé par l’allemand Hans Joachim Pabst von Ohain. La période industrielle, commence en 1939. C’est, en effet, au cours des cinquante dernières années que ces machines se sont développées de façon tout à fait spectaculaire. Actuellement, la turbine à gaz fait partie de notre environnement courant : l’aviation commerciale et militaire utilise quasi exclusivement des machines de ce type pour propulser ses aéronefs. Pour les applications industrielles, la turbine à gaz est maintenant le concurrent direct des moteurs diesels, et cette évolution est loin d’être terminée. [1] 1. Définition : Une turbine est un dispositif rotatif convertissant partiellement l'énergie interne d'un fluide, liquide (comme l'eau) ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion), en énergie mécanique au moyen d'aubes disposées sur un arbre tournant à grande vitesse.[2] 2. Différents types de turbine : Turbine à gaz, turbine Arabelle, turbine hydraulique, turbine RC, turbine Francis, turbine à glace, turbine éolienne, turbine siemens turbine à vapeur II. TURBINES A GAZ : 1. Définition : Une turbine à gaz, appelée aussi turbine à combustion, est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique (rotation d'un arbre) à partir de l'énergie contenue dans un hydrocarbure (fuel, gaz...). Le turboréacteur est une turbine à gaz particulière qui utilise le principe de la réaction pour propulser certains types d'avions rapides.[3] 2. Eléments d’une turbine à gaz : Une turbine à gaz met en jeu trois composants principaux : - un compresseur d’air 5 - une chambre de combustion, qui produit des gaz brûlés à haute température - et une turbine, généralement couplée à un générateur électrique, et dont sortent les gaz d’échappement. [4] 3. Fonctionnement d’une turbine à gaz Figure 1 : Coupe longitudinale d'une turbine à gaz - Principaux organes Le compresseur (repère C), constitué d'un ensemble 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 et s'enflamme. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (rep. T), où l'énergie thermique des gaz chauds est transformée en énergie mécanique. La turbine est constituée d'une ou plusieurs roues également munies d'ailettes précédées d'aubages fixes (directrices). Les gaz de combustion s'échappent par la cheminée (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 qui n'est autre qu'un appareil (machine) récepteur(ice)(pompe, alternateur ...) accouplé à son extrémité droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue le rôle de démarreur. Le réglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le débit de l'air en entrée et sur l'injection du carburant. 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 de récupération. Cela permet également de diminuer fortement les problèmes d'alignement relatif de la turbine et de la charge entre l'état froid et l'état chaud du groupe. 4. 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 6 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 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 dans un échangeur situé dans le flux des gaz d'échappement. On arrive ainsi à se rapprocher des rendements d'un moteur diesel 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 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. [5] 5. Cycle de turbine à gaz DIFFERENTS TYPES DE CYCLE DE FONCTIONNEMENT DES TURBINES A GAZ En fonction du mode de la combustion (isobare ou isochore) et celui de la compression (adiabatique ou isotherme) et de la récupération d’une partie de la chaleur des gaz à la sortie de la turbine (encore beaucoup plus chauds que l’air comprimé sortant du compresseur) on distingue principalement les différents cycles suivants de fonctionnement des turbines à gaz : Remarque : En considérera que La chaleur spécifique Cp et la masse ‘m’ (ou débit) du fluide moteur restent invariables pendant le cycle. III-3-1- CYCLE A COMBUSTION ISOBARE SANS RECUPERATION Alors que la combustion se fait à pression constante, la compression de l’air peut être soit isotherme, soit polytropique soit adiabatique (cycle de Joule ou de Brayton) III-3-1-1 CYCLE DE JOULE OU DE BRAYTON (COMPRESSION ADIABATIQUE) Le cycle de Joule ou de Brayton (1-2-3-4 réversible et 1-2’-3-4’ irréversible), caractérisé par une compression adiabatique de l’air et une combustion isobare (figure 2), est composé des transformations suivantes : 7 Figure2. Cycle de Joule ou de Brayton (compression adiabatique) - 1-2 (ou 2’) : compression adiabatique réversible (ou irréversible) de l’air atmosphérique, par le compresseur, de la pression P1 (généralement égale à la pression atmosphérique) jusqu’à une P2 définit par le rapport ou taux de compression ε c=P2/P1consommant ainsi le travail de compression WC = W 1−2=H2 – H 1= m x Cp x (T 2 – T 1) (réversible) (1) ou WC’ = W 1−2'=H 2' – H 1= m x Cp x (T 2' – T 1) (irréversible) (2) - 2 (ou 2’) -3 : combustion à pression constante, dans la chambre de combustion, qui entraine l’augmentation de la de la température de T uploads/Management/ expose-turbines-a-gaz-2.pdf