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TURBINES À GAZ

Les turbomachines, moteurs industriels, sont essentiellement caractérisées par le fait que la puissance mécanique résultant de la transformation de l’énergie hydraulique (turbines à eau) ou thermique (turbines à gaz et turbines à vapeur) est délivrée de façon continue par l’action d’un fluide à énergie élevée sur les ailettes, ou aubes, de une ou de plusieurs roues. Elles se distinguent donc des moteurs alternatifs, dont la mise au point et le développement ont précédé les leurs de près d’un demi-siècle et où l’action du fluide moteur donne lieu au déplacement rectiligne, à course limitée, de pistons dans un ou plusieurs cylindres, ce mouvement linéaire alternatif étant ensuite transformé en mouvement circulaire par des transmissions mécaniques (système bielle-manivelle). Depuis les années 1970 et à la suite du développement des technologies correspondantes, les turbines ont progressivement remplacé les moteurs alternatifs dans la plupart de leurs applications (moteurs d’avions, centrales électriques, moteurs pour locomotives, compresseurs industriels); les moteurs pour véhicules routiers (moteurs à «explosion» et diesels) constituent pour l’instant les seuls domaines réservés des moteurs à pistons (cf. MOTEURS THER- MIQUES), malgré des travaux de recherches pour l’utilisation de la turbine à gaz.

Historique

L’idée d’une turbine à gaz à combustion interne, ou d’une turbine à air chaud, est assez ancienne. Dès 1731, l’Anglais John Barber déposa un brevet sur ce sujet. Cependant, il fallut attendre environ cent ans avant que la turbine à gaz ne prenne son essor. Son développement fut longtemps retardé par le succès de la turbine à vapeur (turbine à action de Gustave Laval en 1883 et turbine à réaction de Charles Parsons en 1884). L’intérêt pour la turbine à gaz conduisit à une activité fiévreuse de dépôts de brevets entre 1880 et 1900 et à de nombreuses expériences entre 1900 et 1910.

Les principaux projets de recherche durant cette période sont l’œuvre des personnalités suivantes:

– L’Allemand Stolze proposa une turbine à air chaud comportant un compresseur axial multi-étage et une turbine axiale (1900-1904), mais la machine ne tourna jamais.

– L’Allemand Holzwarth proposa (1906-1908) une turbine à gaz à explosion. Celle-ci fut construite par Koerting puis par Brown Boveri (1909-1913). Elle était équipée de deux étages de turbine Curtis suivant une configuration proposée par le Français Karovadine (1906). Le système fut abandonné en 1928.

– Les Français Armangaud et Lemale proposèrent la turbine à gaz à combustion interne (1903-1905) comprenant un compresseur radial, une roue de turbine à action, un réfrigérant à eau placé à l’aval et permettant de produire de la vapeur (le principe de la cogénération turbine à gaz-turbine à vapeur était énoncé). Étant dirigée sur la roue mobile, cette vapeur conduisait à l’obtention d’une puissance supplémentaire. Cependant, les chocs thermiques endommagèrent les disques et les aubes de la turbine, et le projet fut abandonné en 1909 avec le décès d’Armangaud.

– Comme l’Américain Sanford Moss, le Norvégien Aegidius Elling utilisa, en 1903, les mêmes principes qu’Armangaud et Lemale, mais indépendamment de leurs travaux. Au lieu d’envoyer directement la vapeur sur les aubes de turbine, celle-ci était mélangée préalablement avec le courant de gaz avant d’entrer dans la roue. Les chocs thermiques étaient ainsi annulés. Le système fut amélioré d’abord en 1904, puis entre 1924 et 1932. Les principales idées d’Aegidius Elling étaient très saines et servirent de base pour la technologie des turbines à gaz modernes. La première turbine à gaz industrielle opérationnelle fut construite en 1930.

Dans le domaine aéronautique, il fallut attendre 1921 pour trouver trace d’un brevet français déposé par Guillaume, qui montre le principe du turboréacteur simple flux moderne tel qu’on l’utilise encore aujourd’hui. Puis, dans les années 1920, de nombreux brevets et inventions ont contribué à la promotion du moteur à réaction moderne.

Pour ce qui concerne les premières réalisations, nous citerons les travaux de Frank Whittle en Angleterre et de Hans Von Ohain en Allemagne. Dès 1935, Von Ohain et Max Hahn déposèrent un brevet de turboréacteur comprenant un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire à retour située autour de l’entrée d’air et une turbine centripète. Sur cette base, la société Heinkel étudia le premier turboréacteur HeS¹, qui propulsa un avion monomoteur en août 1939. Quant à Whittle, il déposa des brevets sur le turboréacteur en 1930 et en 1936. En 1937, avec le concours de la British Thomson-Houston, il fit tourner son premier turboréacteur WU au banc. Le premier moteur de vol Whittle W¹, dessiné par Power Jets et réalisé par British Thomson-Houston, fut essayé au banc en 1938. Son premier vol d’essai eut lieu en mai 1941 sur un appareil Gloster E 28/29. Citons, enfin, les essais au banc d’un turboréacteur par Sensaud de Lavaud et Brunet en 1937. Cependant, la durée de vie de ce prototype ne dura guère plus de dix minutes.

Éléments de turbine à gaz

Une turbine à gaz est une machine à flux continu, à combustion interne et qui permet de transformer l’énergie contenue dans le combustible en énergie mécanique utilisable sur l’arbre de la turbine (machines industrielles) ou sous forme d’énergie propulsive dans un jet (turboréacteurs). Dans son architecture la plus simple, la turbine à gaz, qui aspire l’air ambiant et rejette les gaz brûlés à l’atmosphère, fonctionne en circuit ouvert. Elle comporte un compresseur et une turbine couplés mécaniquement sur un arbre, et une chambre de combustion intercalée entre ces deux organes (fig. 1).

Le cycle thermodynamique correspondant, appelé cycle de Joule ou cycle de Brayton, peut être schématisé au moyen d’un diagramme enthalpie-entropie (fig. 2 et 3):

– de 1 à 2 prend place la compression;

– de 2 à 3, la combustion s’opère sensiblement à pression constante;

– de 3 à 5, la détente est effectuée uniquement dans la turbine (fourniture d’énergie mécanique) ou partiellement dans la turbine entre 3 et 4, et dans la tuyère d’éjection (cas des turboréacteurs).

Compresseur

Le compresseur de type turbomachine est soit un compresseur axial, soit un compresseur hélicoïdal, soit encore un compresseur centrifuge, suivant la forme donnée à la veine fluide. Les compresseurs axiaux généralement employés pour les machines de forte puissance, où la minimisation du maître couple est un impératif, comportent une succession d’étages. Chaque étage est constitué d’un disque tournant muni d’ailettes et d’une rangée d’aubes fixes, l’ensemble des disques mobiles étant solidaire de l’arbre. La turbine fournit la puissance nécessaire à l’entraînement du compresseur. Le transfert d’énergie, depuis l’arbre vers le fluide, est assuré par l’ensemble des ailettes mobiles. Celles-ci impriment au fluide un moment cinétique dirigé dans le sens de rotation de l’arbre. Ce moment cinétique est ensuite annulé dans la rangée d’aubes fixes suivante.

Les aubages mobiles et fixes sont calés au bord d’attaque de façon à être dirigés au point de fonctionnement nominal de la machine, suivant la vitesse de l’écoulement repérée soit dans le référentiel tournant lié aux roues (cas des roues mobiles), soit dans un système d’axes fixe (cas des roues fixes). Le calage des aubages au bord de fuite est sélectionné de façon à imprimer au fluide la déviation souhaitée visant à créer un moment cinétique (cas des roues mobiles) ou, au contraire, à annuler ce moment cinétique (cas des roues fixes). L’ensemble des roues mobiles et des roues fixes contribue à l’accroissement de la pression. En effet, dans chaque roue mobile, le transfert d’énergie, depuis l’arbre vers le fluide, se trouve réalisé par accroissement simultané de l’énergie cinétique et de la pression. En complément, dans les roues fixes, l’excédent d’énergie cinétique est à son tour converti en un deuxième accroissement de la pression.

Les compresseurs centrifuges sont généralement réservés pour les puissances modérées et dans les situations où les questions de maître couple apparaissent secondaires. Ce sont des composants rustiques et bien adaptés pour les applications industrielles. Un étage de compresseur centrifuge comprend une roue mobile, un diffuseur lisse, éventuellement un diffuseur à ailettes, un redresseur axial (configuration aéronautique) ou une volute (configuration industrielle). La roue mobile comporte un disque sur lequel sont montées des aubes. La veine de l’écoulement, délimitée par un carter fixe et la surface du disque, dévient le fluide de la direction axiale à la direction radiale. De plus, les aubages de la roue mobile dévient le fluide de sa direction naturelle de façon à générer un moment cinétique important. L’accroissement de la pression dans la roue est liée non seulement au ralentissement de la vitesse du fluide mesurée dans le repère mobile, mais aussi à l’action de la force centrifuge. L’énergie cinétique importante du fluide, générée par le mobile, est ensuite transformée en accroissement de pression supplémentaire dans les organes fixes placés en aval. Ainsi, le diffuseur lisse, espace délimité par deux plans radiaux, assure un premier accroissement de la pression du fait de la giration du fluide. L’absence d’aubages dans cette région améliore la souplesse de fonctionnement du compresseur, au moins dans le cas des compresseurs à faible rapport de pression. Le diffuseur à aubes placé en aval complète l’accroissement de pression dans un encombrement limité.

Dans la configuration aéronautique, la veine de l’écoulement est ensuite ramenée dans la direction axiale. La composante giratoire du fluide est ensuite annulée dans une rangée d’aubes fixes appelée redresseur.

Dans la configuration industrielle, le diffuseur lisse ou le diffuseur à aubes sont suivis d’une volute dont la fonction est de collecter le fluide sur la circonférence avant de le diriger dans une direction perpendiculaire à l’axe de rotation.

Turbine

Les turbines axiales sont réservées pour les machines de forte puissance, tandis que les turbines centripètes sont utilisées pour les puissances modestes et dans les cas où la température des gaz de travail est modérée du fait que ces machines ne sont pas refroidies et que les calories sont drainées vers l’axe, donc vers les paliers.

Chaque étage de turbine axiale comporte une rangée d’aubages fixes ou distributeur destiné à créer un moment cinétique et une roue mobile munie d’ailettes. La fonction de la roue mobile est d’annuler le moment cinétique incident, ce qui entraîne la création d’un couple sur l’arbre de la turbine. Les aubages de la roue mobile sont de deux types: soit à action, soit à réaction. Dans le premier cas, la pression reste sensiblement constante à la traversée de la roue mobile, et la déviation des aubages est importante. La poussée axiale sur l’arbre est alors faible. Cette configuration est réservée aux coupes de pied des ailettes mobiles. La seconde disposition, qui donne une baisse de pression dans la roue, se rencontre sur les coupes de tête des aubages. La poussée axiale sur le rotor est alors conséquente.

Dans le cas des turbines centripètes, le chemin pris par le fluide est sensiblement l’inverse de celui que prennent les gaz traversant un compresseur centrifuge. La veine d’entrée du gaz est soit axiale (configuration aéronautique) et comprise entre deux cylindres coaxiaux, soit perpendiculaire à l’axe de rotation, l’écoulement étant ensuite distribué dans un plan radial autour du mobile à l’aide d’une volute. Dans la partie radiale située en amont du mobile, on place parfois un distributeur à aubes fixes, dont la fonction est identique à celle des distributeurs axiaux.

Les mécanismes de transformation de l’énergie sont analogues à ceux qui sont décrits pour les machines axiales, à ceci près que la chute de pression dans les aubages de la roue mobile est due non seulement à l’accroissement de la vitesse relativement aux ailettes, mais aussi au rapprochement vers l’axe des nappes de courant de fluide (c’est l’effet centripète). Le disque supporte les aubes, qui sont calées radialement afin de minimiser les contraintes mécaniques dans le matériau. Pour la même raison, des lunules sont pratiquées à la périphérie du disque, entre les aubes. Comme dans le cas des roues axiales, le moment cinétique d’entrée est annulé dans la roue, afin de récupérer le couple correspondant sur l’arbre de la turbine. Dans le cas des turbines à gaz à énergie mécanique, un diffuseur axial ou radial d’échappement permet de minimiser l’énergie cinétique évacuée.

Le foyer

Le foyer, ou chambre de combustion, est l’endroit où l’on fournit à l’air l’énergie sous forme chimique en y réalisant une réaction chimique ou une combustion de l’air. La combustion est une oxydation d’un hydrocarbure. La quantité de carburant injectée dans le foyer placé entre le compresseur et la turbine est généralement inférieure à la valeur, appelée stœchiométrique, utilisant toute la quantité d’air aspirée, cela afin d’amener les gaz brûlés à une température admissible pour les matériaux employés pour la turbine (aubes, disques, carters, etc.). On dit alors que le mélange est pauvre, ou encore que la richesse est inférieure à l’unité.

L’obtention d’une combustion satisfaisante dans le foyer suppose tout d’abord qu’un mélange intime entre air et carburant soit réalisé. Dans le cas où un carburant liquide est utilisé, trois types d’injecteurs sont généralement employés: des pulvérisateurs de type mécanique, des cannes de prévaporisation ou encore des pulvérisateurs aérodynamiques, les gouttelettes de carburant liquide étant cisaillées entre deux lames d’air contrarotatives. Le délai d’inflammation, qui dépend de la température, de la pression et de la richesse, doit être suffisamment court. Enfin, pour que la flamme soit stabilisée dans le foyer, il faut organiser la combustion dans des zones où la vitesse du fluide est très faible, afin que la propagation de la flamme par effet de conduction puisse compenser la convection des gaz vers l’aval. À cet effet, on utilise parfois des accroche-flammes, et, plus généralement, on organise des zones de recirculation stable.

Un foyer de turboréacteur comporte un tube à flammes (fig. 4), où est admis en premier l’air primaire mélangé au kérosène au moyen d’injecteurs. Dans la première partie de ce tube est organisée une combustion stœchiométrique. L’air secondaire enveloppe ensuite ce tube, assurant ainsi une protection thermique, et des perforations réalisées dans ce dernier contribuent à organiser les recirculations souhaitées dans le tube et assurent une dilution des produits de combustion. Des travaux de recherche sont actuellement consentis pour diminuer sensiblement la pollution (poussières, NO^x , CO, S², etc.). Dans le cas des machines aéronautiques, la difficulté provient du fait que le foyer fonctionne à différents régimes (ralenti, montée, croisière, etc.). Des chambres à deux têtes sont, depuis les années 1990, incorporées sur certains moteurs S.N.E.C.M.A./G.E., comme le CFM 56 et le GE 90. On envisage à plus long terme plusieurs techniques pour diminuer les polluants. Citons principalement la chambre de combustion à prémélange pauvre, la chambre de combustion riche à dilution rapide et finalement la chambre de combustion catalytique.

Cycles de turbine à gaz

Par rapport au cycle thermodynamique simple et au fonctionnement en circuit ouvert présenté à la figure 2, des aménagements et des améliorations sont souvent adoptés. La lecture du cycle de Joule permet de mieux comprendre les différentes configurations possibles.

Une première configuration peut être obtenue, en circuit fermé, avec un fluide évoluant en boucle. La compression du gaz s’opère entre 1 et 2, l’apport de chaleur au niveau de la source chaude est obtenu entre 2 et 3 à l’aide d’un premier échangeur de chaleur, la détente entre 3 et 4 s’effectue dans une turbine tandis qu’un second échangeur, entre 4 et 1, permet de ramener le fluide à son état initial.

Dans le cas d’un circuit ouvert, il est également possible de disposer en premier un composant autre que le compresseur. Ainsi, on peut placer d’abord le foyer ou un échangeur de chaleur puis la turbine, un second échangeur refroidisseur et, enfin, le compresseur. Si les gaz de travail sont déjà comprimés et chauds, l’utilisation dans l’ordre de ces trois derniers composants est suffisante. Ces deux dernières dispositions sont dénommées turbines à gaz à composants inversés. La turbine à gaz classique peut enfin comporter en amont un échangeur refroidisseur.

Les cycles de turbine à gaz améliorés comportent généralement des échangeurs, organes volumineux et dont l’utilisation est réservée aux machines thermiques terrestres. Une première disposition concerne la possibilité de placer un échangeur entre deux étages de compression, ce qui permet une économie d’énergie. La deuxième possibilité concerne l’utilisation d’un échangeur récupérateur en sortie de turbine et parcouru à contre-courant par l’air frais issu du compresseur. Il est alors possible d’économiser du carburant. Une troisième possibilité concerne la réchauffe. Elle consiste à intercaler entre deux étages de turbine un foyer supplémentaire, afin de rehausser le niveau de température devant la deuxième turbine. Ces différentes dispositions sont en général groupées sur une même installation (fig. 5). L’utilisation de plusieurs fluides permet d’envisager des cycles plus complexes dont les justifications sont énergétique et économique, ce qui impose que ces installations soient opérationnelles pendant plusieurs dizaines d’années (exemple de la cogénération gaz, vapeur).

Les applications

Industrie terrestre

L’utilisation de la turbine à gaz pour la traction terrestre est un vieux rêve des ingénieurs. Quelques succès relatifs ont été obtenus avec, notamment, le turbotrain et, plus récemment, l’adoption de turbines à gaz sur les chars d’assaut de l’armée américaine. En ce qui concerne les véhicules routiers, la concrétisation de ces études est beaucoup plus problématique.

Certes, de nombreux prototypes ont été réalisés, mais la mise au point des turbines à gaz bute sur les impératifs des véhicules terrestres, à savoir: nécessité d’obtenir une consommation très faible et un couple suffisant sur une bonne plage de vitesse de rotation et, enfin, un temps de réponse très court à l’accélération. Des sommes importantes sont consacrées, au Japon, aux États-Unis et, à moindre titre, en Europe, pour la réalisation de turbines à très haute température fabriquées avec des matériaux céramiques et munies de régénérateurs ou de récupérateurs de chaleur, de façon à abaisser la consommation. Des moteurs hybrides constitués de turbines à gaz entraînant des alternateurs sont actuellement étudiés, le fonctionnement purement électrique au moyen de batteries étant proposé en ville afin d’annuler toute pollution.

En revanche, l’implantation des turbines à gaz sur les bateaux est une réalité.

La turbine à gaz est le moyen adapté pour disposer de façon autonome d’une source d’énergie à la fois mécanique, électrique et thermique. On parle alors de système à énergie totale. Citons, par exemple, les groupes autonomes sur les plates-formes de forage ou pour la recompression des gaz de pipelines. Une turbine à gaz de forte puissance couplée à un alternateur permet d’obtenir une puissance électrique importante. Ainsi, en 1986, E.D.F. a décidé de réaliser une centrale prototype à turbine à gaz à combustion (T.A.C.) de grande puissance (216 MW) installée à Gennevilliers (Hauts-de-Seine). Cette T.A.C. constitue la première machine de cette puissance à être mise «en service industriel» dans le monde. Cette centrale est destinée à fonctionner pendant des périodes de pointe de consommation. C’est une machine de secours capable d’aider à reconstituer le réseau E.D.F. après un incident généralisé. L’accent est mis sur la réduction des nuisances: réduction du bruit et des émissions gazeuses, particulièrement des oxydes de soufre. Cette centrale peut fonctionner aussi bien au gaz naturel qu’au fuel, ce qui renforce son autonomie.

Le charbon, qui fut au siècle dernier la source d’énergie première pour produire la vapeur, reste aujourd’hui, et sera vraisemblablement demain, une source d’énergie de premier ordre aux États-Unis et en Europe. Les techniques actuelles de combustion du charbon ne permettent pas d’accroître sensiblement la production d’électricité par ce moyen, pour répondre à la demande, cela à cause des taux de dioxyde de soufre (SO²) admis par les normes de pollution. Mais on étudie des systèmes peu polluants et à haut rendement au charbon, tels que le cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC) ou le cycle combiné à combustion externe (EFCC) proposé en Europe. Ces deux techniques font intervenir la gazéification du charbon et emploient la turbine à gaz. La technique EFCC nécessite la mise au point d’échangeurs tenant à des très hautes températures (U.H.T.H.E.) et s’accommodant bien des problèmes d’encrassement.

Industrie aéronautique

Du fait de sa puissance spécifique élevée, la turbine à gaz est particulièrement bien adaptée aux applications aéronautiques. Les turbines à gaz aéronautiques comprennent principalement les turbomoteurs, les turbopropulseurs et les turboréacteurs. Les turbomoteurs ont pour fonction de fournir une puissance mécanique sur l’arbre. Citons en premier les groupes auxiliaires de puissance (G.A.P.) utilisés pour l’entraînement d’alternateurs et de compresseurs de charge dont les gaz comprimés sont destinés à être détendus dans des turbines de démarrage. Le turbopropulseur est une turbine à gaz qui, par l’intermédiaire d’un réducteur, assume l’entraînement d’un second arbre parallèle au premier et sur lequel est monté une hélice à pas variable. Le turboréacteur est une turbine à gaz dans laquelle les gaz se détendent partiellement dans la turbine entraînant le compresseur, la seconde partie de la détente s’opérant dans la tuyère afin de libérer l’énergie propulsive.

Les turboréacteurs double flux comportent, en plus du flux central chaud, un flux secondaire froid, comprimé dans une roue à aubes de grande dimension, redressé dans une grille d’aubes fixes, puis accéléré dans une tuyère secondaire. Cette disposition convient aux nombres de Mach de vol modérés (M 黎 0,8) et permet à la fois une baisse de la consommation de carburant et une réduction du bruit.