Turbine a gaz

Une turbine à gaz, appelée aussi turbine à combustion, est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique (rotation d'un arbre) à partir de l'énergie contenue dans un hydrocarbure (fuel, gaz...).
Le turboréacteur est une turbine à gaz particulière qui utilise le principe de la réaction pour propulser certains types d'avions rapides.

Sommaire 1 Principe de fonctionnement 1.1 Principes 1.2 Rendement 1.3 Pollution 2 Applications de la turbine à gaz 2.1 Réalisation pratique 2.2 Limites techniques. Avantages 2.3 Turbocompresseur 2.4 Propulsion 2.5 Moteur 2.6 Production d'électricité 2.7 Conclusion 3 Liens externes

Principe de fonctionnement

La turbine à gaz est un moteur thermique réalisant les différentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes traversés par un fluide moteur gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale par rapport aux moteurs à pistons qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (généralement un cylindre).

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

• une compression adiabatique qui consomme de l’énergie mécanique,
• un chauffage isobare comme pour un moteur Diesel,
• une détente adiabatique jusqu’à la pression ambiante qui produit de l’énergie mécanique,
• un refroidissement isobare.

Le rendement est le rapport du travail utile (travail de détente – travail de compression) à la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement théorique croit avec le taux de compression et la température de combustion. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n’est pas écourtée.

La turbine à gaz est le plus souvent à cycle ouvert et à combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange à l’atmosphère. La turbine à gaz peut également être à cycle fermé et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des échangeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente de l’ambiante.

Le cycle de base décrit plus haut peut être amélioré par différents organes complémentaires :

• récupération de chaleur à l’échappement : les gaz détendus en sortie de turbine traversent un échangeur pour préchauffer l’air comprimé avant son admission dans la chambre de combustion,
• compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance nécessaire à la compression s’en trouve réduite au bénéfice du rendement.
• combustion étagée : la détente comprend deux étages (ou plus) séparés par un ou des réchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’où amélioration du rendement.

Les deux dernières dispositions visent à tendre vers des transformations isothermes en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines à taux de compression élevé. Les trois dispositifs peuvent être réalisés indépendamment ou simultanément. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling présente un rendement théorique égal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette supériorité théorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalancée par l’impossibilité pratique de réaliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont réservés aux installations stationnaires du fait de l’encombrement et du poids des échangeurs gaz/gaz.

Principes

Le compresseur (repère C), constitué d'un ensemble de roues munies d'ailettes, comprime l'air extérieur (rep. E), simplement filtré, jusqu'à 10 à 15 bars, voire 30 bars pour certains modèles.

Du gaz (rep. G), ou un combustible liquide atomisé, est injecté dans la chambre de combustion (rep. Ch) où il se mélange à l'air compressé et s'enflamme. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (rep. T), où l'énergie thermique des gaz chauds est transformée en énergie mécanique, la dite turbine est constituée d'une ou plusieurs roues également munies d'ailettes et s'échappent par la cheminée (rep. Ec) à travers un diffuseur. Le mouvement de rotation de la turbine est communiqué à l'arbre A qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge qui n'est autre qu'un appareil (machine) récepteur(ice)(pompe, alternateur...) accouplé à son extrémité droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (rep. M) qui joue le rôle de démarreur. Le réglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le débit de l'air en entrée et sur l'injection du carburant.

Rendement

Le rendement faible de la turbine à gaz (25 à 35%) est dû au fait que l'énergie fournie par le combustible est détournée par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Il est possible d'améliorer légèrement le rendement en augmentant la température dans la chambre de combustion (plus de 1200°C) mais on se heurte au problème de tenue des matériaux utilisés pour la réalisation de la partie turbine. C'est en récupérant la chaleur des gaz d'échappement (chauffage, production de vapeur...) que le rendement global de la machine peut dépasser 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'échappement (plus de 500 degrés) pour produire de la vapeur dans une chaudière. Une autre possibilité d'augmenter le rendement de la turbine, est de réchauffer les gaz en sortie des étages de compression (avant les chambres de combustion) en les faisant passer dans un échangeur situé dans le flux des gaz d'échappement.On arrive ainsi à se rapprocher des rendements d'un moteur diesel semi rapide. C'est par exemple le principe de fonctionnement de la turbine WR21 de Rolls-Royce.

La vapeur produite est ensuite utilisée de deux manières :

• la centrale à cycle combiné où une turbine à vapeur complète la turbine à gaz pour actionner un alternateur, le rendement global atteint alors 55% voire 60% dans les dernières centrales à l'étude.
• la cogénération où la vapeur produite est utilisée dans un autre domaine (papeterie...)

On fabrique des turbines à gaz de puissances allant de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts.

Pollution

Des efforts importants ont été entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines à gaz, en particulier en réduisant les rejets d'oxyde d'azote (NO_x). L'utilisation de gaz naturel permet une émission faible de dioxydes de soufre (SO₂) et de monoxyde de carbone (CO). Les modèles peu polluants sont surtout installés par les pays développés tandis que les turbines à gaz de conception moins sophistiquée et de prix moins élevé sont préférées par les pays en voie de développement.

Applications de la turbine à gaz

Réalisation pratique

La phase de compression est réalisée par un compresseur d’air axial ou centrifuge. Le travail de compression peut être réduit par pulvérisation d’eau à l’admission. L’air comprimé est réparti en trois flux :

• une alimentation stoechiométrique vers le brûleur alimenté en carburant,
• un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mélangé aux produits de combustion du brûleur,
• un flux destiné au refroidissement de la turbine.

Contrairement au moteur à piston, la combustion d'une turbine a gaz est continue et il faut donc limiter la température par un large excès d’air pour maintenir la température à une valeur acceptable pour les matériaux (jusqu’à 1300 °C en nominal avec 2000 °C en courte pointe). Ceci est très pénalisant pour le rendement qui est maximum vers 4500°C (le même problème existe pour les moteurs à pistons).

Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion en entrée de turbine pour augmenter le débit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudière de récupération chauffée par l’échappement. Il s’agit en fait d’un cycle combiné simplifié.

La turbine généralement de type axial comprend un ou plusieurs étages de détente. Contrairement aux turbines à vapeur, il s’agit toujours de turbines à réaction. Deux grands types de turbines à gaz sont à distinguer :

• simple arbre : le compresseur et l’ensemble des étages de détente sont regroupés sur le même arbre entrainant également l’organe récepteur,
• double arbre : le compresseur est sur le même arbre que les étages de turbine strictement nécessaires à son entrainement, les autres étages de turbine étant groupés sur un second arbre solidaire de la machine entrainée.

La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement à charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destinés à la propulsion. Les turbines à simple arbre sont adaptées à la production électrique qui se fait à régime constant et charge plus élevée.

La réalisation de la turbine et notamment l'étage situé derrière le feu pose des problèmes métallurgiques liés à la température élevée et à la force centrifuge s’exerçant sur les aubages mobiles. Elle nécessite l’emploi d’aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) et un refroidissement énergique par de l’air de charge prélevé sur le compresseur. L’utilisation de matériaux céramiques est à l’étude pour augmenter la température.

Limites techniques. Avantages

Bien que théoriquement supérieure au moteur Diesel, la turbine à gaz présente de sévères limitations dues aux contraintes techniques de sa réalisation. Ces principales limites sont les suivantes :

• taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre d’étages de compression nécessaires,
• baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à un régime plus faible que le régime nominal,
• 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 d’usinage des aubages notamment de la turbine,
• inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs,
• la plupart des turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairement au moteur Diesel. Elles utilisent donc du gaz naturel, du biogaz ou de torchère ou du gasoil toutefois, les turbines à gaz "heavy duty" peuvent brûler du fioul lourd, ceci nécessitant le réchauffage du carburant afin d'en diminuer la viscosité; l'atomisation du carburant au niveau de l'injecteur est ainsi rendue possible; certains fiouls lourds nécessitent l'injection d'inhibiteur de vanadium).

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

• puissance massique et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu,
• possibilité de variation de charge 0 à 100% instantanément
• 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 l’excès d’air et de la température limitée,
• aptitude à la récupération de chaleur (cogénération),
• coûts de maintenance inférieurs aux moteurs pistons
• longévité en marche stationnaire.
• aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz pauvre).
• peu de génie civile nécessaire pour sa mise en oeuvre.

Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique en particulier sur les hélicoptères. La propulsion navale fait également de plus en plus appel aux turbines à gaz notamment pour les navires à grande vitesse. Il existe enfin des exemples d’application à la propulsion ferroviaire mais limités le plus souvent à l’Amérique du Nord et à des véhicules militaires comme des chars d’assaut (XM-1 Abrams ou Leclerc).

Par contre, la turbine à gaz est mal adaptée aux véhicules routiers. En effet, les variations de charge et de régime sont trop importantes et trop rapides pour être réalisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30% pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dépassent 40%. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’intérêt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, où l’installation des échangeurs (notamment récupérateur sur échappement) est moins problématique.

L’autre grand domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il s’agit d’applications à régime constant et à charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW à près de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des cycles combinés dont le rendement global tend actuellement vers 60%. En cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 à 35% voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est même inférieur à 30% mais on met alors à profit l’aptitude des turbines à combustion pour la récupération de chaleur dans des applications de cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur).

Turbocompresseur

Ce terme a 2 significations :

• un compresseur (en général, centrifuge) entraîné par une turbine (en général, à gaz),
• une turbine entraînée par les gaz d'échappement qui compresse de l'air pour l’injecter dans le moteur (appelé couramment turbo dans le domaine automobile).

Le turbo désigne une turbine actionnée par les gaz d’échappement d’un moteur à pistons et dont le travail sert à comprimer l’air admis dans le moteur. Ce dispositif représente une amélioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants :

• augmentation de la puissance massique et volumique par une puissance supérieure à cylindrée égale. Afin de maximiser cet effet, il est nécessaire de refroidir l’air comprimé par un échangeur (intercooler),
• suppression de l’inconvénient de la détente écourtée des cycles Otto et Diesel d’où amélioration de rendement. L’amélioration du rendement est très limitée sur les moteurs à essence car les risques d’auto-inflammation (cliquetis) imposent de réduire sensiblement le taux de compression du moteur proprement dit, d’où une perte de rendement.

Le moteur turbocompressé combine donc un moteur à pistons et une turbine à gaz, les deux étant liés par une chambre de combustion commune. Il permet de concilier les avantages des deux types de moteurs tout en réduisant leurs inconvénients respectifs, en particulier pour les cycles Diesel. Ceci explique la généralisation actuelle de cette technique. Le problème majeur du turbocompresseur est le même que les autres turbines à gaz, à savoir la gestion de la marche à faible charge ou en régime transitoire. Il est en grande partie résolu aujourd’hui par les turbocompresseurs dits « à géométrie variable » munis d’aubages fixes à incidence variable.

Propulsion

C'est grâce à leur puissance massique et puissance volumique élevées que de petites turbines sont utilisées pour motoriser les hélicoptères. Des trains (Turbotrain), mais aussi des chars d'assaut, des navires... sont propulsés par des turbines à gaz de puissance moyenne. Les turboréacteurs et les turbopropulseurs sont des turbines à gaz utilisées en aéronautique pour propulser des aéronefs modernes et rapides.

Moteur

L'industrie pétrolière utilise des turbines à gaz pour entraîner des pompes et compresseurs pour les pipelines.

Production d'électricité

La turbine à gaz de grande puissance (> 1 MW) est surtout utilisée pour entraîner un alternateur et produire de l'électricité. Les infrastructures et le génie civil nécessaires pour une centrale électrique équipée de turbines à gaz sont réduits, ce qui permet d'installer en quelques mois une centrale tout près du lieu d'utilisation de l'électricité (ville, usine) ou de la source de combustible (port, forage, raffinerie...). Turbine et alternateur sont acheminés sous formes de modules compacts et complets qu'il suffit d'assembler et de raccorder aux réseaux dans des climats où la température extérieure peut aller de -40 à +50°C. Un des avantages des centrales à turbine à gaz est le temps réduit pour la mise en œuvre, le gestionnaire d'un réseau de distribution électrique peut ainsi moduler facilement la capacité de production pour s'adapter aux variations de la consommation.

L'installation d'un groupe électrogène à turbine à gaz peut s'accompagner d'une installation en cogénération, afin de récupérer les quantités importantes d'énergie (environ 65% de l'énergie consommée) contenues dans les gaz d'échappement. La principale application de ce type consiste à injecter ces gaz, éventuellement après passage dans un tunnel de post-combustion, dans une chaudière de récupération, avec production d'eau chaude ou de vapeur.

Conclusion

La turbine à gaz contribue dans une large mesure aux motorisations actuelles. Leur avantage de légèreté en impose l’usage dans l’aéronautique, tandis que dans le domaine des fortes puissances (production d’électricité) elles se démarquent par leur adaptation à des cycles combinés ou de cogénération très performants. Les moteurs à explosion eux ont leur puissance limitée à environ 10 MW pour des raisons de masse et d’encombrement.

Liens externes

• The World Alliance for Decentralized Energy
• Association Française du Gaz

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