Quelques considérations sur les turbines à gaz industrielles
TURBINES A GAZ TURBOPROPULSEURS
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TURBINES A GAZ TURBOPROPULSEURS
• Applications :• Turbomoteurs d’hélicoptères• Turbopropulseurs : moteurs avions • Turboalternateurs : production d’électricité• Turbopompes : industrie pétrolière
Généralités :
• Nombreux avantages / moteurs alternatifs
• Principe : Récupération puissance cinétique et / ou mécanique importantes via fonctionnement continu
I. Différents types de Turbines à Gaz :
I.1. Turbines liées
Un seul ensemble tournant = arbre reliant :
compresseur C, turbine de détente TG et récepteur de puissance R : turboalternateurs, turbopompes..
• Eléments principaux :• C : Compresseur centrifuge ou axial• CC : Chambre de combustion annulaire• TG : Turbine générateur de détente multi étagée• Tuy : tuyère• Arbre de transmission• R : Réducteur
C C C TG
RPm
Tuy
• 1-2 : Compression adiabatique de l’air dans compresseur
• 2-3 : Apport isobare de chaleur dans chambre de combustion
• 3-4 : Détente adiabatique dans turbine
• 4–5 : Détente adiabatique dans la tuyère d’échappement
• 5-0 : Refroidissement isobare des gaz d’échappement et éjection à hautes vitesses
* L’admission d’air 0-1 sera traitée dans la partie turboréacteur
I.2. Etude du cycle de la turbine liée
C C C TG
RPm
1 2 3 4 5Tuy
Air (0)
I.2.1 Diagramme (T,s) du cycle turbine liée
1
2s 2
3
5s
5
T
sba
Isobare P1 = P5 = P0
Isobare P2 = P3
44s
• Hypothèses :
• Cycle ouvert : P5 = P0 = pression atmosphérique
•Rque : L’indice s designe une transformation isentropique
I.2.4 Exemple d’une turbine liée de chez Turbomeca
Conditions standards air : P 0 = 101,3 kPa ; T 0 = 288 K) :
•débit d’air qma = 5,55 kg/s
•taux de compression P 2 /P 1 = 10
•rendement isentropique de compression c = 0,785
•température entrée turbine T 3 = 1 300 K
•taux de détente P 3 /P 4 = 8,75
•rendement isentropique de détente TG = 0,90
•rendement du réducteur red = 0,98
•puissance sur l’arbre W m = 1 268 kW
•consommation horaire C H = 379 kg/h
•consommation spécifique C s = 0,299 kg/(kW · h)
•rendement thermique th = 0,279
avec vitesse de rotation du générateur N TG = 33 100 tr/min
vitesse de rotation de la prise de puissance N pp = 6 000 tr/min
I.2.4 Exemple d’une turbine liée de chez Turbomeca
I.3. Turbines libresI.3.1. GénéralitésTurbine puissance distincte de la turbine générateur
• TG sert uniquement à entraîner le compresseur• TP entraîne l’arbre de puissance via reducteur
• Applications : Turbines aéronautiques…
• Eléments principaux : • C : Compresseur centrifuge ou axial• CC : Chambre de combustion annulaire• TG : Turbine générateur multi étagée• TP : Turbine de puissance• Tuy : Tuyère• Arbre de transmission
C C C TG
RPm
1 2 3 4 5Tuy
Air (0) 6TP
I.3.2. Description du cycle
C C C TG
Rpm
1 2 3 4 5Tuy
Air (0) 6TP
0-1 : admission de l’air : compression cinétique supposée isentropique
1-2 : Compression isentropique de l’air
2-3 : Combustion isobare
3-4 : Détente polytropique TG
4-5 : Détente polytropique TP
5-6 : Détente polytropique Tuy
6-0 : Refroidissement des gaz brûlés
I.3.5. Exemple d’une turbine libre
Turbomoteur à turbine libre TM 333 (doc. Turboméca)
Données standards air : P 0 = 10,13 kPa ; T 0 = 250 K
•débit d’air qma = 3,03 kg/s
•taux de compression P 2 /P 1 = 11
•rendement isentropique de compression C = 0,783
•température entrée turbine T 3 = 1 350 K
•taux de détente turbine générateur P 3 /P 4 = 3,58
•rendement isentropique de détente de la turbine générateur TG = 0,847
•perte de pression totale dans le canal inter-turbines D P 4 ;4,3 = 2,5 %
•taux de détente turbine libre P 4,3 /P 4,4 = 2,70
•rendement isentropique de détente de la turbine libre TP = 0,878 •rendement du réducteur R = 0,98
•puissance sur l’arbre de sortie W m = 705 kW
•consommation horaire C H = 217 kg/h
•consommation spécifique C s = 0,308 kg/(kW · h)
•rendement thermique th = 0,271
avec vitesse de rotation du générateur de gaz : N g = 45 000 tr/min
vitesse de rotation de la turbine libre : N tl = 37 500 tr/min
vitesse de rotation de la prise de puissance : N pp = 6 000 tr/min
I.3.5. Exemple d’une turbine libre
I.4. Turbine à échangeur de chaleur
Obtention d’une combustion efficace et économe : récupération partie enthalpie de combustion via un échangeur de chaleur