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les turbines a gaz

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les turbines a gaz

   samir 05 19, 2010 11:00 pm

Introduction



La turbine gaz, aussi appele turbine combustion, est une machine thermique qui connat actuellement une grande vogue, compte tenu de ses excellentes performances (rendement Suprieur 35 % utilise seule, et 55 % en cycle combin). la turbine gaz constitue un moteur combustion interne flux continu.

On notera que le terme de turbine gaz provient de l'tat du fluide thermodynamique, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilis, qui peut tre aussi bien gazeux que liquide (les turbines gaz utilisent gnralement du gaz naturel ou des distillats lgers).

Ils sont des groupes de force dont lutilisation dans lindustrie des hydrocarbures est trs rpandue, compte tenu des puissances unitaires dveloppes leves, de faciles adaptations, des rgimes variables des processus dexploitation et de modes de dmontage en blocs qui permettent des priodes de fonctionnement entre rparations de plus en plus largies.



1-turbine gaz



Une turbine gaz (dnomination historique), appele aussi turbine combustion ou parfois turbine gaz de combustion (dnomination la plus prcise), est une machine tournante thermodynamique appartenant la famille des moteurs combustion interne dont le rle est de produire de l'nergie mcanique sous la forme de la rotation d'un arbre, directement partir de l'nergie cintique des gaz produits par la combustion d'un hydrocarbure (fuel, gaz combustible...) qui subissent une dtente dans une turbine. Le comburant, le plus souvent de l'air ambiant, est gnralement comprim avant de pntrer dans la chambre de combustion, en utilisant un compresseur rotatif entran par le mme arbre que la turbine.

Le mot gaz dans l'ancienne dnomination turbine gaz (longtemps la plus employe) fait rfrence au caractre gazeux des produits de combustion, par opposition aux turbines vapeur dans lesquelles le fluide moteur (de la vapeur d'eau) se condense en liquide.

Le turboracteur est une turbine gaz particulire qui utilise le principe de la raction pour propulser certains types d'avions rapides.






Schma de fonctionnement d'une turbine gaz compresseur axial


2-

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Principe de fonctionnement




La turbine gaz est un moteur thermique ralisant les diffrentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession dorganes traverss par un fluide moteur gazeux en coulement continu. Cest une diffrence fondamentale par rapport aux moteurs pistons qui ralisent une succession temporelle des phases dans un mme organe (gnralement un cylindre).

Dans sa forme la plus simple, la turbine gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et schmatiquement :

ØUne compression adiabatique qui consomme de lnergie mcanique ;

ØUn chauffage isobare comme pour un moteur Diesel ;

ØUne dtente adiabatique jusqu la pression ambiante qui produit de lnergie mcanique ;

ØUn refroidissement isobare.

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En fonctionnement, un compresseur entran par l'arbre de la turbine comprime de l'air atmosphrique (PA et TA) . Cette compression est isentropique. La temprature Tb se dduit de : Tb = Ta.(Pb/Pa)-1/. g est voisin de 1,4 et le rapport PA /PB est de l'ordre de 10.
L'air, refoul dans la chambre de combustion, est mlang avec du krosne. La combustion porte par voie isobare (chambre de combustion ouverte) le gaz la temprature Tc (de l'ordre de 1300 K)
Le gaz subit ensuite une dtente isentropique en passant dans la turbine (distributeur fixe et aubage mobile et solidaire de l'axe qui entrane le compresseur).
En D, le fluide est la pression atmosphrique et retourne la temprature ambiante par voie isobare.
Dans les phases isobares, la variation d'entropie est donne (pour l'unit de masse) par
S = cPLn(Tf / Ti).
Le rendement thorique est :
 = 1 - (TD - TA)/(TC - TB)





3-Le rendement



est le rapport du travail utile (travail de dtente travail de compression) la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement thorique croit avec le taux de compression et la temprature de combustion. Il est suprieur celui du cycle Diesel car sa dtente nest pas courte.

La turbine gaz est le plus souvent cycle ouvert et combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extrieure la machine et se fait par mlange latmosphre. La turbine gaz peut galement tre cycle ferm et combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurs par des changeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet lutilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse diffrente de lambiante.

Le cycle de base dcrit plus haut peut tre amlior par diffrents organes complmentaires :

rcupration de chaleur lchappement : les gaz dtendus en sortie de turbine traversent un changeur pour prchauffer lair comprim avant son admission dans la chambre de combustion ;

compression refroidie : la compression comprend deux tages (ou plus) spars par un changeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant lair. La puissance ncessaire la compression sen trouve rduite au bnfice du rendement ;

combustion tage : la dtente comprend deux tages (ou plus) spars par un ou des rchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue do amlioration du rendement.

Les deux dernires dispositions visent tendre vers des transformations isothermes en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines taux de compression lev. Les trois dispositifs peuvent tre raliss indpendamment ou simultanment. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling prsente un rendement thorique gal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette supriorit thorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalance par limpossibilit pratique de raliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont rservs aux installations stationnaires du fait de lencombrement et du poids des changeurs gaz/gaz.



4-Pollution



Des efforts importants ont t entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines gaz, en particulier en rduisant les rejets d'oxyde d'azote (NOx). L'utilisation de gaz naturel permet une mission faible de dioxydes de soufre (SO2) et de monoxyde de carbone (CO). Les modles peu polluants sont surtout installs par les pays dvelopps tandis que les turbines gaz de conception moins sophistique et de prix moins lev sont prfres par les pays en voie de dveloppement.



5-Applications



5.1-Ralisation pratique

La phase de compression est ralise par un compresseur dair axial ou centrifuge. Le travail de compression peut tre rduit par pulvrisation deau ladmission. Lair comprim est rparti en trois flux :

une alimentation stoechiomtrique vers le brleur aliment en carburant ;

un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mlang aux produits de combustion du brleur ;

un flux destin au refroidissement de la turbine.

Contrairement au moteur piston, la combustion d'une turbine a gaz est continue et il faut donc limiter la temprature une valeur acceptable pour les matriaux par un large excs dair 1 300 C en nominal avec 2 000 C en courte pointe). Ceci est trs pnalisant pour le rendement qui est maximum vers 4 500 C (le mme problme existe pour les moteurs pistons).

Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion l' entre de la turbine pour augmenter le dbit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudire de rcupration chauffe par lchappement. Il sagit en fait dun cycle combin simplifi.

La turbine gnralement de type axial comprend un ou plusieurs tages de dtente. Contrairement aux turbines vapeur, il sagit toujours de turbines raction. Deux grands types de turbines gaz sont distinguer :

simple arbre : le compresseur et lensemble des tages de dtente sont regroups sur le mme arbre entrainant galement lorgane rcepteur ;

double arbre : le compresseur est sur le mme arbre que les tages de turbine strictement ncessaires son entrainement, les autres tages de turbine tant groups sur un second arbre solidaire de la machine entraine.

La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destins la propulsion. Les turbines simple arbre sont adaptes la production lectrique qui se fait rgime constant et charge plus leve.

La ralisation de la turbine et notamment l'tage situ derrire le feu pose des problmes mtallurgiques lis la temprature leve et la force centrifuge sexerant sur les aubages mobiles. Elle ncessite lemploi daciers fortement allis (Cr-Ni-Va) et un refroidissement nergique par de lair de charge prlev sur le compresseur. Lutilisation de matriaux cramiques est ltude pour augmenter la temprature.

5.2-Limites techniques. Avantages

Bien que thoriquement suprieure au moteur Diesel, la turbine gaz prsente de svres limitations dues aux contraintes techniques de sa ralisation. Ces principales limites sont les suivantes :

taux de compression (et donc rendement) limit par le nombre dtages de compression ncessaires ;

baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges un rgime plus faible que le rgime nominal ;

temprature de combustion (et donc rendement) limite par la rsistance mcanique de la turbine ;

chute importante du rendement charge partielle en particulier pour les machines simple arbre ;

cot dusinage des aubages notamment de la turbine ;

inaptitude aux arrts et dmarrages frquents et peu progressifs ;

la plupart des turbines gaz ne peuvent pas brler de fioul lourd contrairement au moteur Diesel. Elles utilisent donc du gaz naturel, du biogaz ou de torchre ou du gasoil toutefois, les turbines gaz heavy duty peuvent brler du fioul lourd ; ceci ncessitant le rchauffage du carburant afin d'en diminuer la viscosit ; l'atomisation du carburant au niveau de l'injecteur est ainsi rendue possible ; certains fiouls lourds ncessitent l'injection d'inhibiteur de vanadium.

Les avantages inhrents ce type de machine sont les suivants :

puissance massique et volumique trs leve du fait du fonctionnement continu ;

possibilit de variation de charge 0 100 % instantanment ;

simplicit apparente de construction (un rotor dans un carter et un brleur) et quilibrage (peu de vibrations) ;

pollution limite en HC et NOx du fait de lexcs dair et de la temprature limite ;

aptitude la rcupration de chaleur (cognration) ;

cots de maintenance infrieurs aux moteurs pistons ;

longvit en marche stationnaire ;

aptitude potentielle utiliser des combustibles varis et de moindre qualit (gaz pauvre) ;

peu de gnie civile ncessaire pour sa mise en uvre.

Les applications des turbines gaz dcoulent directement de leurs avantages spcifiques. Ainsi, la puissance massique leve se prte bien la propulsion aronautique en particulier sur les hlicoptres. La propulsion navale fait galement de plus en plus appel aux turbines gaz notamment pour les navires grande vitesse. Il existe enfin des exemples dapplication la propulsion ferroviaire mais limits le plus souvent lAmrique du Nord et des vhicules militaires comme des chars dassaut (XM-1 Abrams ou Leclerc).

Par contre, la turbine gaz est mal adapte aux vhicules routiers. En effet, les variations de charge et de rgime sont trop importantes et trop rapides pour tre ralisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30 % pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dpassent 40 %. Par contre, elles pourraient trouver un regain dintrt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, o linstallation des changeurs (notamment rcuprateur sur chappement) est moins problmatique.

Lautre grand domaine demploi des turbines gaz est la production dlectricit. En effet, il sagit dapplications rgime constant et charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW prs de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en gnral associes des turbines vapeur dans des cycles combins dont le rendement global tend actuellement vers 60 %. En cycle simple, le rendement est de lordre de 30 35 % voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est mme infrieur 30 % mais on met alors profit laptitude des turbines combustion pour la rcupration de chaleur dans des applications de cognration (production simultane dlectricit et de chaleur).

5.3-Turbocompresseur

Le terme turbocompresseur a deux significations :

un compresseur (centrifuge en gnral) entran par une turbine ( gaz en gnral) ;

une turbine entrane par les gaz d'chappement qui comprime de l'air pour linjecter dans le moteur (appel couramment turbo dans le domaine automobile).

Le turbo dsigne une turbine actionne par les gaz dchappement dun moteur pistons et dont le travail sert comprimer lair admis dans le moteur. Ce dispositif reprsente une amlioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants :

augmentation de la puissance massique et volumique par une puissance suprieure cylindre gale. Afin de maximiser cet effet, il est ncessaire de refroidir lair comprim par un changeur (intercooler) ;

suppression de linconvnient de la dtente courte des cycles Otto et Diesel do amlioration de rendement. Lamlioration du rendement est trs limite sur les moteurs essence car les risques dauto-inflammation (cliquetis) imposent de rduire sensiblement le taux de compression du moteur proprement dit, do une perte de rendement.

Le moteur turbocompress combine donc un moteur pistons et une turbine gaz, les deux tant lis par une chambre de combustion commune. Il permet de concilier les avantages des deux types de moteurs tout en rduisant leurs inconvnients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la gnralisation actuelle de cette technique.

Le problme majeur du turbocompresseur est le mme que les autres turbines gaz, savoir la gestion de la marche faible charge ou en rgime transitoire. Il est en grande partie rsolu au XXIe sicle par les turbocompresseurs dits gomtrie variable munis daubages fixes Incidence variable.

5.4-Propulsion

C'est grce leur puissance massique et puissance volumique leves que de petites turbines sont utilises pour motoriser les hlicoptres. Des trains (Turbotrain), mais aussi des chars d'assaut, des navires... sont propulss par des turbines gaz de puissance moyenne. Les turboracteurs et les turbopropulseurs sont des turbines gaz utilises en aronautique pour propulser des aronefs modernes et rapides.

Moteur [modifier]

L'industrie ptrolire utilise des turbines gaz pour entraner des pompes et compresseurs pour les pipelines.

5.5-Production d'lectricit

La turbine gaz de grande puissance (> 1 MW) est surtout utilise pour entraner un alternateur et produire de l'lectricit. Les infrastructures et le gnie civil ncessaires pour une centrale lectrique quipe de turbines gaz sont rduits, ce qui permet d'installer en quelques mois une centrale tout prs du lieu d'utilisation de l'lectricit (ville, usine) ou de la source de combustible (port, forage, raffinerie...). Turbine et alternateur sont achemins sous formes de modules compacts et complets qu'il suffit d'assembler et de raccorder aux rseaux dans des climats o la temprature extrieure peut aller de -40 +50 C. Un des avantages des centrales turbine gaz est le temps rduit pour la mise en uvre, le gestionnaire d'un rseau de distribution lectrique peut ainsi moduler facilement la capacit de production pour s'adapter aux variations de la consommation.

L'installation d'un groupe lectrogne turbine gaz peut s'accompagner d'une installation en cognration, afin de rcuprer les quantits importantes d'nergie (environ 65 % de l'nergie consomme) contenues dans les gaz d'chappement. La principale application de ce type consiste injecter ces gaz, ventuellement aprs passage dans un tunnel de post-combustion, dans une chaudire de rcupration, avec production d'eau chaude ou de vapeur.

2Conclusion

La turbine gaz contribue dans une large mesure aux motorisations actuelles. Leur avantage de lgret en impose lusage dans laronautique, tandis que dans le domaine des fortes puissances (production dlectricit) elles se dmarquent par leur adaptation des cycles combins ou de cognration trs performants. Les moteurs explosion eux ont leur puissance limite environ 10 MW pour des raisons de masse et dencombrement.



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   chouchouseghira 28, 2010 5:53 pm


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   samisami7220 02, 2010 12:27 pm

merciiiiiiiiiiiiii

samisami7220




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   samir 05 04, 2010 9:06 pm

ce mini projet est trs important en 3 anne

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   ahmed8987 04, 2011 2:17 pm

merci

ahmed8987



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   chouaib 04, 2011 3:41 pm


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