Chap5_Turbine à gaz

5/13/2018 Chap5_Turbine à gaz - slidepdf.com

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COURS TURBINE A GAZ

TABLE 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 lénergie ............................................................................................... 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 lénergie ............................................................................................................................. 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 TURBINE A GAZ La turbine à gaz est un moteur thermiqueréalisant les différentes phases de son cyclethermodynamique dans une succession

dorganes traversés par un fluide moteurgazeux en écoulement continu. Cest unedifférence fondamentale par rapport auxmoteurs à pistons qui réalisent une succession

temporelle des phases dans un même organe.

1.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Lair atmosphérique admis dans le compresseur subit dabord 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 larbre. Une partie du travail obtenu pendant la détente

est utilisée pour entraîner le compresseur. Lautre partie sert à produire de lénergie utile.

1.2 CATEGORIES DES TURBINES A GAZ Les TG sont séparées en deux catégories

y Les turbomoteurs et turbopropulseurs : Dans ce cas la détente est poursuivie jusquà lapression atmosphérique, par suite la puissance fournie par la turbine est supérieure à lapuissance consommée par le compresseur. Larbre fournit du travail utilisé pour alimenter une

hélice (cas dun turbopropulseur) ou une génératrice (cas dune 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. À

la sortie de la turbine, lair est encore pressurisé. On exploite ce potentiel en détendant lairdans une tuyère, ce qui laccélère et fournit une poussée nette.

Schéma simplifié dune turbine simple Schéma simplifié dun turboréacteur

1.3 APPLICATIONS Turboréacteur pour avion ; Production de petite puissance pour les usines (de quelques centaines dekW jusquà quelques MW) ; Production de grande puissance de 30 à 120 MW

Tuyère



2 CYCLE THERMODYNAMIQUE ET BILAN ENERGETIQUE

2.1 CYCLE THEORIQUE

Hypothèses :

y

les gaz qui parcourent le cycle suivent la loi des gaz parfaits PV = mrT,y on néglige les variations de chaleur massique Cp et Cv en fonction de la température T,

y on suppose que le débit massique Qm est constant dans le cycle

Le 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 BILAN M ASSIQUE DU CYC LE y Travail massique absorbé par le compresseur (J/kg): W c=

y Chaleur massique fournie à la combustion (J/kg): Qcc=

y Travail massique récupère à la turbine (J/kg): Wt =

y Travail utile spécifique (J/kg): Wu=

On définit le rapport de compression P= (P2/P1)(K-1)/ K et le rapport des températures X=T3/T1, Donc

Wc= ; Qcc= ; Wt = ; Wu=travail de détente disponible sur larbre de la turbine, Wt Wc

2.1.2 REN DE M ENT THE RM IQUE i. Le rendement thermique ou mécanique est le rapport entre le travail utile à la chaleur fournie

par la source chaude : Lth=Wu/Qcc=1-1/P ; Plus on augmente P, plus Lth augmente. Tracer la

courbe Lth=f(P).

ii. Consommation spécifique : Quantité de combustible (en kg) nécessaire pour produire 1kWh :

CS(kg/kWh)=3600/(Lth.PCI).

iii. Puissance thermique de la turbine ou le compresseur : P=D.W ; D (kg/s) débit des gaz.

2

41

3

P

V

T

s

2

3

4

1



iv. Rendement électrique Lélec =Pélec/Pth.

2.1.3 T R AVAIL UTILE SPE C IFIQUE

PXP

¹ º ¸

©ª¨ !

11

1T C W

pu

y P= X, alors Wu=0 (pas de combustion, T3=T2),

y Wu>0 X>P et Wu est maximal P= X

on a intérêt à augmenter la température T3 dentrée turbine pour maximiser le travail spécifique.Toutefois cette température est limitée par les matériaux utilisés dans la turbine.

Tracer la courbe Wu en fonction P2/P1 (plusieurs valeurs de T3, T1= 15 °C)

2.1.4 I NFLUEN C E DE LA TE M PE R ATU RE EXTE RIEU RE

Wu=Cp.Lth.(T3-T1P)

Courbe Wu en fonction T1. Exemple T3= 1500 °C et P=3 pour T1=45 °C. La puissance nominale diminuede 15%. On trace la courbe de charge en fonction de T1.

A T3 constante, si T1 baisse, pour un même rapport de compression, T2 diminue également et la

puissance disponible augmente. Tandis que si T1 augmente, le contraire se produit. Cependant, lerendement et donc le rapport de compression reste inchangé, on en conclut quune variation de T1 setraduit par une variation du combustible. Il est évident quun cycle à haut taux de compression est plussensible aux conditions extérieures quun cycle à faible taux de compression. Cette dépendance par

rapport T1explique la difficulté pour les centrales TG de produire de grosses puissances lors de lété.

2.1.5 REN DE M ENT DE LA COM BUSTI ON

Soit mc la masse du combustible injecté, alors la chaleur massique fournie à la combustion (J) Q cc=mc.PCI=mairCp(T3-T2) ; néglige mc par rapport à mair, mair=D.temps de fonctionnement.

La quantité de chaleur effectivement fournie au fluide est égale à la variation d'enthalpie des gaz entrel'entrée de la turbine et la sortie du compresseur (en négligeant la chaleur transférée au milieuextérieur à travers les parois et les variations d'énergie cinétique entre ces sections). On négligel'enthalpie du carburant injecté.

2323T CpT CphQ aa g g a g f mmmm h !!

yyyyy

La quantité de chaleur maximale susceptible d'être dégagée par le combustible est :

P CI Q c pot m

!

yy

Le rendement de combustion est : Lc

! !

y

y

y y

y

Q

Q

Cp T Cp T

P CI

f

pot

g g a a

c

m m

m

3 2

Exemple

Pélec= 120 MW ; Lélec =0,97 ; D= 383 kg/s ; P2 = 11 bar, T 2 = 362 °C ; K=1,4 ; T1=15°C ; Cp= 1000 J/(kgK)

P= 0,504 ; Lth =49,6%; Wu= 323 kJ/kg; X= 2,765; T3= 796 K



2.2 CYCLE REEL Le cycle réel diffère du cycle théorique par suite de lirréversibilité des transformations réelles. Lacompression et la détente ne sont pas isentropiques et lexistence des forces de frottement internes semanifeste par un accroissement dentropie dS>0.

La combustion elle même est accompagnée dune légère perte de charge et P3 est légèrement à P2.

y La compression est adiabatique, de rendement isentropique Lc : en raison des travaux defrottement, la température réelle est plus élevée que la température théorique, et la courbe de

compression nest plus isentrope 1-2 mais larc 1-2 tel que T2 >T2,1

'

2

12

1

'

2

12

T T

T T

H H

H H c

!!

!L

y La détente dans la turbine est adiabatique, de rendement isentropique Lt : en raison des

travaux de frottement, la détente ne seffectue pas suivant un arc isentrope, mais suivant un

arc tel que T4>T4.4

'

3

43

4

'

3

43

T T

T T

H H

H H t

!

!L



Remarque : Cp et Cv nest pas constante (air, gaz de combustion)

Ordres de grandeur : P2 : 5 et 30 bars ; T2 : 120 à 500 C (dépend du taux de compression) ; T3 : 1150 à

1400 C ; T4 : 500 à 600 C ;L g= 25% et 35%

3

AMELIORATION DU CYCLE

VALORISATION DE L

ENERGIE

3.1 TURBINES A GAZ AVEC REGENERATION On utilise le cycle élémentaire en introduisant entre le compresseur et la chambre de combustion unéchangeur de chaleur qui récupère la chaleur des gaz déchappement de la turbine pour réchaufferceux sortant du compresseur. Cette chaleur est en moins à fournir par le combustible, doù léconomie.La récupération nest possible que lorsque le taux de compression nest pas trop élevé : si T2 est supérieur à T4 la récupération devient impossible. Ce procédé permet dobtenir de bons rendementsavec des taux de compression faibles.

1-2: compression isentropique,

2-3:réchauffement isobare dans le régénérateur R,

3-4: combustion isobare,

4-5:détente isentropique,

5-6: refroidissement isobare dans le régénérateur, où les gazcomburés cèdent une partie de leur chaleur à l air de combustion,

6-1:refroidissement isobare à léchappement.



On appelle E lefficacité de léchangeur thermique du régénérateur, définit comme la proportion

déchange thermique obtenue par rapport à léchange maximal possible : E =(T3-T2)/(T5-T2)

Tracer le diagramme P-V et le diagramme T-S ; Calculer le rendement en fonction de E, P et X.

3.2 TURBINE A GAZ AVEC REFROIDISSEMENT INTERMEDIAIRE Pour réduire la puissance consommée par le compresseur, on a parfois recours au refroidissement intermédiaire (en anglais, intercooling). La compression est interrompue, et lair est refroidi avant depoursuivre la compression.

3.3 TURBINE A GAZ AVEC RESURCHAUFFE INTERMEDIAIRE



3.4 RE-VALORISATION DE LENERGIE

3.4.1 C YC LE COM BINE Le schéma ci-dessus montre comment les gaz déchappement de la turbine à gaz à alimenter enchaleur un cycle à vapeur.

3.4.2 C OGENE R ATI ON Décret n° 2002-3232 du 3 décembre 2002, relatif à la cogénération

Art 1.

« installation de co-génération » tout ensemble déquipements et de matériels installé dans un

établissement appartenant au secteur industriel ou au secteur tertiaire, en vue de produiresimultanément de lénergie thermique et de lénergie électrique à partir dénergie primaire.

Art2.

Est considérée économie en énergie, linstallation de co-génération qui répond aux critères techniquessuivants :

y Le rendement global annuel, calculé au moyen de la formule suivante, est supérieur ou égal à0,6 : Rg = C+E/Q

y Le rapport de récupération thermique, défini par la formule suivante, est supérieur ou égal à0.5 :Rr = C /E

o Rg : rendement global,

o Rr : rapport de récupération thermique,



o E : équivalent thermique de lénergie électrique produite,

o C : énergie thermique récupérée et effectivement utilisée,

o Q : énergie primaire consommée, calculée sur la base des PCI des combustibles.

Art 3 :

Létablissement séquipant dune installation de co-génération économe en énergie, bénéficie du droit

découlement de ses excédents dénergie électrique sur le réseau électrique national dans les limitessupérieures suivantes calculées sur la base annuelle :

y les deux tiers de lénergie électrique produite, pour les projets dont la puissance électriqueinstallée est inférieure à 3 mégawatts,

y la moitié de lénergie électrique produite, pour les projets dont la puissance électrique installéeest supérieure ou égale à 3 mégawatts .

Les excédents dénergie électriques doivent être cédés à la société tunisienne délectricité et du gaz qui

sengage à les acheter dans le cadre dun contrat type approuvé par lautorité de tutelle du secteur delénergie.

4 CONFIGURATIONS DE SYSTEMES A TURBINE En fonction des applications, plusieurs arrangements de turbines et compresseurs peuvent être

considérés.

Dans un système à turbine libre (en anglais, free turbineou split-shaft system), la puissance mécanique fourniepar le moteur est transmise par une turbine dédiée. Cela

permet de maintenir chacun des deux axes à des vitessesdifférentes. La vitesse de laxe turbine/compresseurnétant pas contrainte par la charge imposée à laxe libre,il peut évoluer à des vitesses plus proches de son point optimum, et accélérer plus aisément.

Dans un système à plusieurs axes (en anglais, twin/triple-spool system), on divise compresseur et turbine en deuxparties chacun, formant ainsi deux systèmes co-axiauxincorporés lun dans lautre. Cest la turbine HP qui alimente

le compresseur HP (axe à grande vitesse), et la turbine BPqui alimente le compresseur BP (axe à faible vitesse).



5 LES COMPOSANTES DES TURBINES A GAZ

5.1 COMPRESSEUR

5.1.1 ROUE

Lélément essentiel dans la construction dune turbomachine est la roue quiporte les aubages.

Type : Le trajet du fluide dans la roue par rapport à laxe de rotation de lamachine permettra de la classer suivant 2 types :

y Machines radiales ou centrifuges : Les filets fluides sont contenusdans des plans perpendiculaires à laxe de rotation.

y Machines axiales : Les filets fluides sont contenus dans des cylindresdont laxe est laxe de rotation de la machine.

Grill e daube : Lensemble des aubes de la roue constitue une grille daube

Etage de l a tur bomachine : Généralement, la roue de la machine seraprécédée et/ou suivie dune ou plusieurs grilles daube fixes servant à orienter convenablement lefluide et éventuellement transformer lénergie cinétique en énergie de pression. Lensemble constitué

par une grille daube fixe et une mobile constitue un étage de la turbomachine. La grille daube fixe est en amont (avant) de la roue sur les machines motrices et en aval (après) de la roue sur les machinesgénératrices.

Tur bomachine à act i on ou ré act i on :

y Lorsque lécoulement dans la roue se fait à pression constante, on a une turbomachine àaction (motrice). Les aubes servent à modifier la direction de lécoulement.

y Lorsque la pression varie, les aubes modifient à la fois lintensité et la direction de la vitesse dufluide. La turbomachine est alors à réaction (motrice ou génératrice).



On définit :

y rouet : lorgane mobile dun compresseur centrifuge.

y rotor : lorgane mobile dun compresseur axial.

y diffuseur : lorgane fixe dun compresseur centrifuge.

y redresseur : lorgane fixe dun compresseur axial.

5.1.2 AUBES Afin daugmenter la tenue du matériau et dutiliser une température de sortie de chambre decombustion la plus élevée possible, on peut être amené à assurer le refroidissement des aubages du

distributeur, et ainsi améliorer le rendement de la détente.

5.1.3 C OM P RESSEU R AXIAL

Un compresseur axial se compose dune suite détages axiaux disposés en série chacun comprenant une roue à aube mobile (rotor) et une roue à aube fixe (stator ou redresseur). La vitesse découlement



de lair augmente dans chaque rangée daubes mobiles; elle est transformée en augmentation de

pression dans chaque rangée daubes fixes.

Le compresseur axial est parfaitement adapté aux machines de grande puissance. Le taux de

compression dun étage dun compresseur axial varie de 1,15 à 1,3, mais il a la possibilité davoir undébit pratiquement illimité.

Redresseur de compresseur axial : Situé en aval de la roue mobile

Rôle : redresser lécoulement vers la direction axial, transformant ainsi lénergie cinétique de lacomposante giratoire de vitesse en pression statique.

5.1.4 C OM P RESSEU R R ADIAL

Il est constitué dune grille daubes mobile suivie un diffuseur xe. Dans la grille à aube mobile, lairpénètre axialement et sécoule ensuite radialement. La vitesse augmente du fait de laccélérationcentrifuge et la pression du fait de la section divergente entre les aubes. Lair quitte lextrémité des

pales à très grande vitesse. Dans le stator (diffiseur), une partie de la vitesse est transformée enpression du fait de la section dìvergente des aubes.

Le taux de compression dun étage dun compresseur centrifuge variera de 2,5 à 10 mais son dèbit est

limité.



5.2 TURBINE

Le transfert dénergie sopère dans un dispositif mécanique dont la disposition est la suivante le fluiderencontre en premier lieu un organe fixe puis lorgane mobile. Les transformations subies sont alors :

Dans le distributeur : une transformation de l enthalpie par détente fournissant de lénergie

cinétique Dans la roue mobile : une transformation de lénergie cinétique en énergie mécanique Le transfert dénergie est effectué dans la roue mobile.

5.2.1 LE ROT OR :

Son rôle est dassurer le transfert dénergie entre larbre de la machine et le fluide en mouvement.

y Lécoulement étant dévié au passage de la roue, il existe donc une force exercée par le fluidesur les aubages.

y Le point dapplication de la force se déplace du fait de la rotation des aubages, il y a donc travail=> échange dénergie :

o Énergie de pression : une turbine échange nécessairement de lénergie de pression avecle fluide

o Énergie cinétique : une turbine échange nécessairement de lénergie cinétique avec lefluide du fait de la giration de lécoulement au passage de la roue mobile.

5.2.2 LE STAT OR :

Rôle : modifier la forme dénergie (énergie cinétique en pression,ou inversement).

Il existe comme pour la roue mobile une force exercée parle fluide sur les aubages, liée à la déviation de lécoulement.

Par contre laubage étant fixe, il ny a pas de déplacement du point dapplication de la force. Donc pas de travail =>pas déchange dénergie.



Distributeur de turbine axiale :

Situé en amont de la roue mobile

Rôle : provoquer une giration de lécoulement, transformant ainsi une partie de lénergiede pression statique disponible sous forme dénergie cinétique. Cette énergie est ensuite

récupérée au niveau de la roue mobile.Deux grands types de turbines à gaz sont à distinguer :

y simple arbre : le compresseur et lensemble des étages de détente sont regroupés sur le mêmearbre entrainant également lalternateur,

y double arbre : le C est sur le même arbre que les étages de turbine nécessaires à sonentrainement, les autres étages de turbine étant groupés sur un second arbre solidaire delalternateur. Cette disposition permet un meilleur fonctionnement à charge partiel.

5.3 CHAMBRE A COMBUSTION

La chambre de combustion sert à brûler un mélange de carburant et dair et à délivrer les gaz issus dela combustion vers la turbine. Il sagit en fait de la transformation de lénergie chimique contenue dans

le carburant en énergie calorifique.

Lair passe à travers un diffuseur dentrée pour réduire la vitesse de lair sortant du compresseur et amenant ainsi un écoulement stable et uniforme dans la zone de combustion tout en conservant aumaximum la pression dynamique. Ensuite lair est divisée en 2 courants : air primaire et air secondaire(air de refroidissement). Le carburant pulvérisé et injecté, il se mélange avec lair primaire et est enflammé. Lair restant qui ne participe pas à la combustion assure le refroidissement des parois de la

chambre et par dilution le refroidissement des gaz de combustion.

Deux types de chambres de combustions existent : Chambre annulaire (fig gauche) ; Chambre àécoulement inversé (fig droite).

Injection du carburant :

Le carburant doit être admis dans la chambre de combustion de façon à obtenir une homogénéisation

rapide du mélange.

y Injection par injecteur simple : Le carburant admis sous pression est pulvérisé par un oricecalibré. La qualité de la pulvérisation dépend de la section de passage du gicleur, du débit et dela pression.

y Injection à pré-vaporisation : Elle consiste à vaporiser le carburant avant linjection. Ce typedinjection ne nécessite pas de très hautes pressions et permet une bonne, qualité decombustion.



5.4 APPAREILLAGE AUXILIAIRES Système de démarrage

Cest un moteur électrique ou Diesel pour entrainer la turbine jusquà sa vitesse nominale. A partir de20% de la vitesse nominale, la combustion est initiée dans la CC

Convert isseur du couple

Il transmet à la turbine de manière progressive le couple fourni par le moteur de démarrage.

Réducteur de vitesse

Installé entre lalternateur et la turbine. Rôle dadapter la vitesse de la turbine à celle de lalternateur

Pompe à huile

Sert à la lubrification des cousinés et des paliers de le lensemble groupe turbo-alternateur et du RV

Filtre daspirat ion

Son rôle est déviter lérosion du compresseur par des particules solides

Échappement

Les gaz chauds sont acheminés vers la cheminée à travers le cadre déchappement pour être perdus àlatmosphère avec une température de 540 °C.



6 LIMITES TECHNIQUES. AVANTAGESBien que théoriquement supérieure au moteur Diesel, la turbine à gaz présente de sévères limitationsdues aux contraintes techniques de sa réalisation. Ces principales limites sont les suivantes :

taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre détage de compression nécessaires,

baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à un régime plus faible que le régimenominal,

température de combustion (et donc rendement) limitée par la résistance mécanique de la turbine.

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

coût dusinage des aubages notamment de la turbine.

Inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs.

Coût de maintenance plus élevé que pour un moteur diesel

Bien qu'à l'étude, les turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairment au moteurdiesel. Elles utilisent donc des carburants chers.

Les avantages inhérents à ce type de machine sont les suivants :

puissance massique et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu,

simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et équilibrage (peu de

vibrations),

pollution limitée en HC et NOx du fait de lexcès dair et de la température limitée,

aptitude à la récupération de chaleur (cogénération),

longévité en marche stationnaire.

aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz pauvre, fuel lourd).



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