82773771 Chap5 Turbine a Gaz

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COURS TURBINE A GAZ TABLE DES MATIERES 1 Turbine à gaz................................................................................................................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 2 Principe de fonctionnement ............................................................................................................................. 3 Catégories des turbines à gaz .................................................................................

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  C OURS T URBINE A GAZ   T ABLE DES MATIERES   1   Turbine à gaz................................................................................................................................................................... 3   1.1   Principe de fonctionnement ............................................................................................................................. 3   1.2   Catégories des turbines à gaz .......................................................................................................................... 3   1.3   Applications ........................................................................................................................................................... 3   2   Cycle thermodynamique et bilan energetique ..................................................................................................... 4   2.1   Cycle théorique..................................................................................................................................................... 4   2.1.1   Bilan massique du cycle ................................................................................................................................ 4   2.1.2   Rendement thermique .................................................................................................................................. 4   2.1.3   Travail utile spécifique .................................................................................................................................. 5   2.1.4   Influence de la température extérieure ................................................................................................... 5   2.2   Cycle réel ................................................................................................................................................................ 6   3   Amélioration du cycle  valorisation de lénergie ............................................................................................... 7   3.1   Turbines à gaz avec régénération .................................................................................................................. 7   3.2   Turbine à gaz avec refroidissement intermédiaire .................................................................................. 8   3.3   Turbine à gaz avec resurchauffe intermédiaire ......................................................................................... 8   3.4   Re-valorisation de lénergie ............................................................................................................................. 9   3.4.1   Cycle combiné .................................................................................................................................................. 9   3.4.2   Cogénération .................................................................................................................................................... 9   4   Configurations de systèmes à turbine.................................................................................................................. 10   5   Les composantes des turbines à gaz..................................................................................................................... 11   5.1   Compresseur ...................................................................................................................................................... 11   5.1.1   Roue.................................................................................................................................................................. 11   5.1.2   Aubes ............................................................................................................................................................... 12   5.1.3   Compresseur axial ....................................................................................................................................... 12   5.1.4   Compresseur radial ..................................................................................................................................... 13   5.2   Turbine ................................................................................................................................................................ 14    5.2.1   Le rotor : ......................................................................................................................................................... 14   5.2.2   Le stator : ........................................................................................................................................................ 14   5.3   Chambre à combustion ................................................................................................................................... 15   5.4   Appareillage auxiliaires .................................................................................................................................. 16   6   Limites techniques. Avantages ............................................................................................................................... 17    1   T URBINE A GAZ   La turbine à gaz est un moteur thermiqueréalisant les différentes phases de son cyclethermodynamique dans une successiondorganes traversés par un fluide moteurgazeux en écoulement continu . Cest unedifférence fondamentale par rapport auxmoteurs à pistons qui réalisent une successiontemporelle des phases dans un même organe. 1.1   P RINCIPE DE FONCTIONNEMENT   Lair atmosphérique admis dans le compresseur subit dabord une compression. On injecte parpulvérisation le combustible et le mélange air combustible ainsi obtenue est brûlé dans une chambrede combustion. Les gaz brûlés sont ensuite détendus dans la turbine et leur énergie cinétique est communiquée aux aubes mobiles solidaires de larbre. Une partie du travail obtenu pendant la détenteest utilisée pour entraîner le compresseur. Lautre partie sert à produire de lénergie utile. 1.2   C ATEGORIES DES TURBINES A GAZ   Les TG sont séparées en deux catégories y   Les turbomoteurs et turbopropulseurs : Dans ce cas la détente est poursuivie jusquà lapression atmosphérique, par suite la puissance fournie par la turbine est supérieure à lapuissance consommée par le compresseur. Larbre fournit du travail utilisé pour alimenter unehélice (cas dun turbopropulseur) ou une génératrice (cas dune centrale électrique). y   Les turboréacteurs : La détente est interrompue avant la pression atmosphérique : lapuissance fournie par la turbine compense exactement celle que consomme le compresseur. Àla sortie de la turbine, lair est encore pressurisé. On exploite ce potentiel en détendant lairdans une tuyère, ce qui laccélère et fournit une poussée nette.Schéma simplifié dune turbine simpleSchéma simplifié dun turboréacteur 1.3   A PPLICATIONS   Turboréacteur pour avion ; Production de petite puissance pour les usines (de quelques centaines dekW jusquà quelques MW) ; Production de grande puissance de 30 à 120 MW Tuyère  2   C YCLE THERMODYNAMIQUE ET BILAN ENERGETIQUE   2.1   C YCLE THEORIQUEHypothèses : y   les gaz qui parcourent le cycle suivent la loi des gaz parfaits PV = mrT, y   on néglige les variations de chaleur massique C p et C v en fonction de la température T, y   on suppose que le débit massique Q m est constant dans le cycleLe cycle théorique est appelé cycle de Brayton réversible, il comprend (1) une compressionisentropique, (2) un apport de chaleur ou combustion isobare, (3) une détente isentropique, (4) unretrait de chaleur isobare.  2.1.1   B ILAN  M   ASSIQUE  D U  CYC  LE    y   Travail massique absorbé par le compresseur (J/kg): W c = y   Chaleur massique fournie à la combustion (J/kg): Q cc = y   Travail massique récupère à la turbine (J/kg): W t  = y   Travail utile spécifique (J/kg): W u =On définit le rapport de compression P = (P 2 /P 1 ) ( K -1)/ K et le rapport des températures X =T 3 /T 1 , DoncW c = ; Q cc = ; W t  = ; W u =travail de détente disponible sur larbre de la turbine,  W t    W c    2.1.2   R EN  D E  M  ENT    THE  R M  IQUE    i.   Le rendement thermique ou mécanique est le rapport entre le travail utile à la chaleur fourniepar la source chaude : L th =W u /Q cc =1-1/ P ; Plus on augmente P , plus L th augmente. Tracer lacourbe L th =f( P ).ii.   Consommation spécifique : Quantité de combustible (en kg) nécessaire pour produire 1kWh :CS(kg/kWh)=3600/( L th .PCI).iii.   Puissance thermique de la turbine ou le compresseur : P=D.W ; D (kg/s) débit des gaz. 2  413 PVTs 2  341
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