Téléchargez comme PDF, TXT ou lisez en ligne sur Scribd
Télécharger au format pdf ou txt
Vous êtes sur la page 1/ 33
Cycles des turbines à gaz TAG
Turbines à combustion interne TAC
On désigne par le nom de turbine à gaz un ensemble
(moteur) constitué essentiellement d’un compresseur d’une chambre à combustion génératrice de gaz chaud sous pression et d’une turbine proprement dite dans laquelle s’effectue la détente de ces gaz.
Le compresseur comprime l’air venant de
l’atmosphère, après filtration, entre 10 et 30 bars et une température entre 400°C et 450°C. L’air sortant du compresseur sera divisé en plusieurs parties dans la chambre de combustion : 20% pour la combustion, 20% mélange et turbulence, 40% refroidissement et 20% dilution. La chambre de combustion est partagée en trois zones : zone primaire température 2000°C, zone secondaire température 1600°C et la zone de dilution 1200°C. La température à laquelle les gaz sont portés par la combustion peut, avec un excès normal d’air de 30 à 40%, pour une combustion totale, atteignant 1600 à 1800°C, valeur beaucoup trop élevée pour une tenue correcte des ailettes de la turbine. Il est donc nécessaire de les refroidir jusqu’à une valeur assez basse pour éviter le risque de fluage des ailettes sous l’effet des contraintes prolongées qu’elles subissent pendant la marche de la turbine. Pour réaliser ce refroidissement, on utilise pour la combustion des excès d’air considérable, allant jusqu’à 600 à 800%. Dans ces conditions, le rapport du poids du combustible au poids d’air introduit dans la chambre de combustion ne représente qu’une valeur très faible, de l’ordre de 1,5% environ, donc notablement plus faible que pour les moteurs à piston combustion interne. Il résulte de là que les gaz de combustion alimentant la turbine présentent des caractéristiques tellement voisines de celles de l’air. Les gaz chauds (1200°c) sortant de la chambre de combustion à travers la tuyère à grande
vitesse rentrent dans la turbine. Cette dernière a
pour objet de récupérer l’énergie cinétique de ces gaz. La turbine transforme la vitesse du gaz (énergie cinétique) en mouvement de rotation : transformation de l’énergie cinétique en énergie mécanique : rotation de la roue. La turbine est constituée d’aubage fixe (stator) et d’aubage mobile, de tuyère et de redresseur. Le gaz lors de son passage entre deux ailettes mobiles changent de direction, c’est ce changement de direction qui provoque une force motrice de rotation. Les aubages fixes donnent une direction tangentielle au gaz. Les aubages mobiles sont entrainés par la poussée qui en résulte, les aubages fixes suivant redirigeront ensuite le gaz vers l’étage suivant. - Les turbines à réaction :
Une partie seulement de la détente s’effectue dans
les tuyères avant l’entrée dans la roue. Le reste de la détente s’effectue pendant la traversée de la couronne d’aubes.
• les turbines à action, dans lesquelles le degré de
réaction est égal à 0 : toute la détente du fluide est alors réalisée dans les aubages fixes ou tuyères, en amont de la roue, et les pressions en amont et en aval du rotor sont égales
• les turbines à réaction, dans lesquelles le degré
de réaction est égal à 0,5 : la détente est alors également répartie entre les tuyères et la roue.
Chacun de ces deux types de turbine présente des
avantages et des inconvénients qui lui sont propres.
Les turbines à action sont généralement utilisées pour
les étages de tête des turbines multiétagées ou pour les unités de petite puissance, tandis que les turbines à réaction se révèlent bien adaptées pour les parties basse pression des turbines.
En effet, un premier avantage pour l'utilisation en
partie haute pression des turbines à action est que la totalité de la détente étant effectuée dans le stator, le rotor n'est pas soumis à une différence de pression élevée, ce qui limite les contraintes mécaniques.
On distingue deux types différents de turbines à
gaz :
*La turbine à combustion interne (ou à circuit
ouvert), cycle de Brayton
Dans la turbine à combustion interne, les gaz chauds,
qui sont des fumées de combustion, sont, après leur détente dans la turbine, évacués au dehors, soit directement, soit après traversée un échangeur où s’effectue la récupération d’une partie de leur chaleur. *La turbine à combustion externe (ou à circuit fermé)
Cycle de Joule
Dans la turbine à combustion externe, le fluide
évoluant reçoit sa chaleur d’une source extérieure par l’intermédiaire d’un échangeur, se détend ensuite dans la turbine, puis, après un refroidissement convenable, est repris par un compresseur qui le renvoi dans l’échangeur où il reçoit un nouvel apport de chaleur, et ainsi de suite. Le fluide circule donc en un circuit fermé. Cycles des installations de turbines à gaz
La turbine à gaz est une machine thermique à
combustion interne ou externe composée de turbomachine dont le mouvement est rotatif et dans laquelle l’air, utilisé comme fluide auxiliaire circule à grande vitesse. C’est une machine simple dans sa conception, mais dont la réalisation difficile explique qu’elle soit développée tardivement. Celle-ci est en effet caractérisée par un rendement thermique élevé et présente en même temps tous les avantages d’un moteur rotatif, c’est-à-dire permet de réaliser de grandes puissances sous un faible encombrement. L’emploi limité des turbines à gaz dans de grandes installations énergétiques de hautes efficacités s’explique actuellement surtout par le fait que la résistance insuffisante à la chaleur des matériaux de construction modernes ne permet le fonctionnement stable des turbines à gaz que dans le domaine des températures de beaucoup inférieures à celles des moteurs à combustion interne à piston, ce qui a pour effet une réduction du rendement thermique. Les rendements sont de 30 à 40% à cause du compresseur qui consomme jusqu’à 60% de l’énergie fournit par la turbine et les pertes de chaleur due aux gaz d’échappement. Des progrès ont été créés pour récupérer les énergies perdues et améliorées le rendement et la création de nouveaux matériaux résistants et réfractaires permettront à la turbine à gaz de fonctionner dans une zone de températures plus élevées. De nos jours, les turbines à gaz sont utilisées dans l’aviation, la marine, la traction ferroviaire et progressivement dans les centrales pour produire de l’électricité jusqu’à 300Mw. La turbine à combustion interne étant à l’heure actuelle la plus répandue, c’est elle que nous étudierons pour commencer.
La turbine à gaz à combustion interne
La combustion dans le générateur de gaz chauds peut-
être réalisée à pression constante ou à volume constant, d’où deux classes de turbines, dont les plus courantes sont celles qui fonctionnent avec combustion à pression constante.
Cycle théorique
Une turbine à gaz de ce type se compose
essentiellement de :
Un compresseur rotatif (1) aspirant de l’air
atmosphérique et le refoulant dans une chambre de combustion (2) qui reçoit en même temps du combustible (supposé liquide) qui lui est injecté par une pompe et enfin une turbine (3) dans laquelle les gaz sortant de la chambre de combustion se détendent avant de s’échapper finalement à l’atmosphère. Le récepteur est une génératrice de courant alternatif triphasé, accouplé sur le même arbre de la turbine. Fioul 2
1 3
Génératrice
air atmosphérique échappement des fumées
Détermination du rendement thermique du cycle d’une installation de turbine à gaz à combustion pour P constante, Cycle de Brayton.
La valeur du rendement de l’installation considéré
sera différente suivant que le gaz subit dans le compresseur une compression isotherme, adiabatique ou polytropique.
Cycle de Brayton (diagramme PV Clapeyron)
Cycle idéal
P Q1, combustion (chambre de combustion)
Compression détente (turbine)
échappement
Q2 V Cycle idéal sur le diagramme (T,S) Envisageons, tout d’abord le cycle d’une installation de turbine à gaz à combustion pour P constante et une compression isotherme de l’air dans le compresseur.
détente
combustion
échappement
Compression isotherme
Suivant le diagramme (T,S), la quantité de chaleur
cédée dans la transformation isobare (4-1) sera :
q’2 = Cp (T4 – T1)
et dans la transformation isotherme (1-2) la quantité
de chaleur sera : q ‘’ = RT1lnP2/P1 d’où la chaleur totale cédée à la source froide :
Q2 = Cp (T4 – T1) + RT1lnP2/P1
La quantité de chaleur fournie au fluide moteur au
cours de la transformation isobare (2-3), (combustion) sera :
En divisant par CPT1 le numérateur et le dénominateur
du second membre de cette équation et en tenant compte du fait que T1 = T2 et que pour un gaz parfait R/CP = (CP – CV)/CP = (δ – 1)/δ On obtient finalement
Les graphes représentent les variations du rendement en fonction de ρ pour différentes valeurs de β, (δ = 1,35).
ηTh β= 20
β= 14
β=4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 ρ
Remarques :
Si ρ le rendement pour β fixe
Si β le rendement pour ρ fixe
Considérons maintenant le cycle de l’installation de turbine à gaz à combustion pour P constante pour le cas de la compression adiabatique de l’air. Un tel cycle a dans le diagramme (T,S) la forme suivante :
T T3
T4
T2
T1 S
Avec, Q1 = CP(T3 – T2) ; quantité de chaleur fournit au
gaz dans la chambre de combustion. Q2 = Cp (T4 – T1) ; quantité de chaleur perdue par le gaz lors de son échappement.
Il en résulte que le rendement thermique de ce cycle
a pour expression :
ηth= (Q1 – Q2)/(Q1) = 1 – Q2/Q1
ηTh= 1 – (Cp(T4 – T1)/(CP(T3 – T2)
Ou encore ηTh = 1 - [(T4/T1 - 1)/(T3/T2 – 1]x T1/T2
Les rapports de températures figurant dans
l’équation s’expriment facilement par ρ et β. En effet pour la transformation adiabatique (1-2) on a, avec
ρ = V3/V2 et β = P2/P1.
T1/T2 = (P1/P2)(δ-1)/δ) P Q1, combustion (chambre de combustion)
P2 P3
Compression détente (turbine)
P1 échapement P4
Q2 V
D’autre part, du fait que P3 = P2 et P4 = P1 on en déduit
que (P4/P3)(δ-1/δ) = T4/T3 = (P1/P2) ( δ-1/δ)
Ainsi pour le cycle considéré :
T2/T1 = T3/T4 d’où T4/T1 = T3/T2
Et ηTh = 1 – T1/T2 ou bien
ηTh = 1 – 1/(β(δ-1/δ))
La courbe représente les variations du rendement en
fonction de β pour δ= 1,35 ηTh
0,5
0,4
0,3
0,1
2 4 6 8 10 12 β
Autre méthode de calcul
Les compresseurs Deux grandes classes de machines peuvent être retenues :
*compresseur volumétriques
*compresseur dynamiques Les compresseurs volumétriques Compresseurs centrifuges
Compresseur axial Compresseur centrifuge Travail de compression (compresseur)
Principales différences entre un cycle idéal et un
cycle réel (compression et détente).
Les compressions et détentes ne sont pas
isentropiques à cause des frottements, perte de charge, dégagement de chaleur, énergie dissipée ; donc on aura des compressions et des détentes polytropiques, c’est-à-dire le gaz va sortir avec une température plus élevée, plus chaud, augmentation de l’entropie. Rendement isentropique du compresseur
