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Turbine

Materie: Franceza
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Trimis de Aurel
din 08 Decembrie 2008

La turbine a gaz est un moteur thermique realisant les differentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes traverses par un fluide moteur gazeux en ecoulement continu. C’est une difference fondamentale par rapport aux moteurs a pistons qui realisent une succession temporelle des phases dans un meme organe (generalement un cylindre).

Dans sa forme la plus simple, la turbine a gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et schematiquement:

* une compression adiabatique qui consomme de l’energie mecanique,
* un chauffage isobare comme pour un moteur diesel,
* une detente adiabatique jusqu’a la pression ambiante qui produit de l’energie mecanique,
* un refroidissement isobare.

Le rendement est le rapport du travail utile (travail de detente – travail de compression) a la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement theorique croit avec le taux de compression et la temperature de combustion. Il est superieur a celui du cycle Diesel car sa detente n’est pas ecourtee.

La turbine a gaz est le plus souvent a cycle ouvert et a combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est exterieure a la machine et se fait par melange a l’atmosphere. La turbine a gaz peut egalement etre a cycle ferme et a combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assures par des échangeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse differente de l’ambiante.
Le cycle de base decrit plus haut peut etre ameliore par differents organes complementaires :

* recuperation de chaleur a l’echappement : les gaz detendus en sortie de turbine traversent un echangeur pour prechauffer l’air comprime avant son admission dans la chambre de combustion
* compression refroidie : la compression comprend deux etages (ou plus) separes par un echangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance necessaire a la compression s’en trouve reduite au benefice du rendement.
* combustion etagee : la detente comprend deux etages (ou plus) separes par un ou des rechauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’o? amelioration du rendement.

Les deux dernieres dispositions visent a tendre vers des transformations isothermes en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines a taux de compression eleve. Les trois dispositifs peuvent etre realises independamment ou simultanement. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling presente un rendement theorique egal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette superiorite theorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalancee par l’impossibilite pratique de realiser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont reserves aux installations stationnaires du fait de l’encombrement et du poids des echangeurs gaz/gaz.Principes

Coupe longitudinale d'une turbine a gaz - Principaux organes
Le compresseur (repere C), constitue d'un ensemble de roues munies d'ailettes, comprime l'air exterieur (rep. E), simplement filtre, jusqu'a 10 a 15 bars, voire 30 bars pour certains modeles.

Du gaz (rep. G), ou un combustible liquide atomise, est injecte dans la chambre de combustion (rep. Ch) o? il se melange a l'air compresse et s'enflamme. Les gaz chauds se detendent en traversant la turbine (rep. T), ou l'energie thermique des gaz chauds est transformee en energie mecanique, la dite Turbine est constituee d'une ou plusieurs roues egalement munies d'ailettes et s'echappent par la cheminee (rep. Ec)a travers un diffuseur. Le mouvement de rotation de la turbine est communique a l'arbre A qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge qui n'est autre qu'un appareil (machine) recepteur(ice)(pompe, alternateur...) accouple a son extremite droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue le rôle de demarreur. Le reglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le debit de l'air en entree et sur l'injection du carburant.

Rendement

Le rendement faible de la turbine a gaz (25 a 35%) est d? au fait que l'energie fournie par le combustible est detournee par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'echappement. Il est possible d'ameliorer legerement le rendement en augmentant la température dans la chambre de combustion (plus de 1200°C) mais on se heurte au probleme de tenue des materiaux utilises pour la realisation de la partie turbine. C'est en recuperant la chaleur des gaz d'echappement (chauffage, production de vapeur...) que le rendement global de la machine peut depasser 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'echappement (plus de 500 degres) pour produire de la vapeur dans une chaudiere. Une autre possibilite d'augmenter le rendement de la turb...

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