Ce que vous devez savoir sur la turbine à gaz

La turbine à gaz est utilisée depuis 1939 pour la production d'électricité. Aujourd'hui, c'est l'une des technologies de production d'électricité les plus utilisées. Les turbines à gaz sont connues pour être des moteurs à combustion interne (IC) qui permettent aux mélanges air-carburant de produire des gaz chauds qui font tourner une turbine pour produire de l'énergie. Le processus est courant dans les moteurs à réaction, les moteurs à combustion interne d'automobiles, les navires, les locomotives, etc.

Aujourd'hui, vous apprendrez à connaître la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et les principes de fonctionnement d'une turbine à gaz. Vous découvrirez également les avantages et les inconvénients de cette turbine à gaz.

Qu'est-ce qu'une turbine à gaz ?

Une turbine à gaz est un dispositif mécanique qui transforme l'énergie chimique d'un combustible, c'est-à-dire le gaz naturel ou un combustible similaire, en énergie mécanique. L'énergie mécanique générée par l'arbre de la turbine est ensuite transférée via une boîte de vitesses à l'arbre du générateur. Ainsi, de l'énergie électrique est générée. Les turbines à gaz ne sont pas nommées ainsi à cause du carburant, mais à cause de la production de gaz chaud lors de la combustion du carburant. Différents carburants, y compris les mazouts, le gaz naturel et les carburants synthétiques, peuvent être utilisés. Dans son processus, la combustion se produit par intermittence, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un processus continu.

Une turbine à gaz est également appelée turbine à combustion et est un type de moteur à combustion continue et interne. Ses principaux éléments fonctionnels comprennent un compresseur de gaz rotatif en amont, une chambre de combustion, une turbine en aval sur le même arbre que le compresseur. Un composant est souvent utilisé dans les turbines à gaz pour augmenter son efficacité et pour convertir l'énergie sous forme mécanique ou électrique. Cela permet également d'obtenir un meilleur rapport poussée/poids dans un moteur à postcombustion.

De plus, une turbine à gaz peut être considérée comme un moteur à combustion interne qui utilise du gaz comme fluide de travail pour faire tourner une turbine. La puissance finale peut être utilisée pour entraîner une pompe de générateur, une hélice ou, dans le cas d'un moteur d'avion à réaction pur.

Applications d'une turbine à gaz

Une turbine à gaz peut être utilisée pour propulser des avions, des trains, des navires, des générateurs électriques, des pompes, des compresseurs de gaz, des réservoirs, etc. Maintenant, approfondissons les diverses applications d'une turbine à gaz.

• Production d'énergie électrique :en dehors de l'aviation, les industries de l'énergie électrique utilisent largement les turbines à gaz. Bien que les turbines à vapeur puissent également être utilisées.
• Utilisations industrielles
• Propulsion marine
• Propulsion de locomotive
• Propulsion automobile

Les moteurs à turbine à gaz sont utilisés comme centrales de taille moyenne à « charge de pointe » pour fonctionner par intermittence pendant de courtes durées de forte demande de puissance sur un système électrique.

Les turbines à gaz sont utilisées pour pomper du gaz naturel à travers des pipelines, où une petite partie du gaz pompé est utilisée comme carburant de turbine.

Le processus de raffinage du pétrole utilise également ce système. De petites turbines à gaz portables avec compresseurs centrifuges sont utilisées pour faire fonctionner les pompes.

Remarque :la fonction première d'une turbine à gaz est de produire de l'énergie mécanique et électrique.

Composants de turbine à gaz

Voici les composants d'une turbine à gaz :

Compresseur :

Le compresseur utilisé comme composants de la turbine à gaz est de différents types, les premiers utilisaient des compresseurs centrifuges. Sa conception est relativement simple et peu coûteuse. Ils sont limités aux rapports basse pression et ne peuvent être comparés aux compresseurs modernes à flux axial en termes d'efficacité. les compresseurs centrifuges sont encore utilisés aujourd'hui dans les petites unités industrielles.

Chambre de combustion :

Dans ce système, il y a deux flux d'air provenant du compresseur. Le flux plus petit est alimenté centralement dans une région où le carburant atomisé est injecté et brûlé avec une flamme maintenue en place par une obstruction générant des turbulences. L'autre flux, appelé flux plus froid, est ensuite introduit dans la chambre à travers des trous avec un "chemisage de combustion" (une sorte de coquille). Cela permet de réduire la température globale à un niveau adapté à l'entrée de la turbine.

Turbine :

Ces composants de turbine à gaz sont normalement basés sur le principe de la réaction avec les gaz chauds se détendant jusqu'à huit étages. Il utilise des turbines à un ou deux corps. Dans cette turbine la charge externe est entraînée, une partie de la détente a lieu dans une turbine haute pression. Cette turbine haute pression n'entraîne que le compresseur tandis que le reste de la détente s'effectue dans une turbine libre séparée reliée à la charge.

Contrôle et démarrage :

Dans un moteur à turbine à gaz entraînant une génératrice électrique, la vitesse doit être maîtrisée et doit être constante quelle que soit la charge électrique. La réduction du débit de carburant dans ce système abaissera la température de sortie de la chambre de combustion. De ce fait, la chute d'enthalpie disponible pour la turbine même si l'efficacité de la turbine est légèrement réduite. Le contrôle des moteurs à turbine à gaz des avions est plus difficile à contrôler.

Autres considérations de conception :

Avec les conceptions des moteurs à turbine à gaz modernes, des pièces fonctionnelles supplémentaires peuvent être ajoutées pour améliorer leur efficacité.

Schéma d'un moteur à turbine à gaz :

Types de turbines à gaz

Vous trouverez ci-dessous les différents types de turbines à gaz :

Turboréacteur :

Ces types de turbines à gaz sont moins complexes que tous les moteurs à turbine d'avion. Dans son fonctionnement, quatre sections sont atteintes :compresseur, section de turbine à chambre de combustion et échappement. Les turboréacteurs sont disponibles depuis des décennies, développés en Allemagne et en Angleterre avant la Seconde Guerre mondiale. Dans les turbines à gaz de type turboréacteur, l'air est envoyé à grande vitesse dans la chambre de combustion. Cette chambre laisse entrer le carburant et contient un allumeur. La turbine est entraînée par de l'air en expansion, qui pousse à partir des gaz d'échappement accélérés.

Turbopropulseur :

Dans les types de turbopropulseurs de moteurs à turbine à gaz, les hélices sont entraînées par un réducteur, qui fournit des performances optimales de l'hélice à des régimes plus lents. Cela permet d'obtenir une plus grande efficacité énergétique et des performances à des vitesses plus lentes, faisant des turbopropulseurs un meilleur choix pour les moteurs d'avions, y compris les petits avions de banlieue, les avions cargo et l'utilisation agricole. Notez que les hélices sont moins efficaces à mesure que la vitesse de l'avion augmente, ce qui les rend adaptées aux avions qui ne se déplacent pas à des vitesses plus élevées.

Turboréacteur :

Turbofan est un moteur à turbine d'avion qui détourne un flux d'air secondaire autour de la chambre de combustion, ce qui permet de créer une confiance supplémentaire. Les moteurs à turbine à gaz de type Turbofan sont des versions modernes que l'on trouve sur les avions de transport et de chasse à grande vitesse.

Turboshaft (turboréacteur à postcombustion) :

Ces types de moteurs à turbine à gaz sont principalement utilisés dans les avions de chasse. Il comprend une postcombustion dans un turboréacteur central afin qu'une partie de l'énergie de l'échappement puisse être utilisée pour faire tourner la turbine. Du carburant supplémentaire est injecté dans le flux d'échappement chaque fois que la postcombustion est allumée, produisant une poussée supplémentaire. Cela ne produit pas de vitesse supplémentaire pour l'avion et consomme plus de carburant que les avions à turboréacteurs traditionnels.

Principe de fonctionnement de la turbine à gaz

Le fonctionnement d'une turbine à gaz est moins complexe et peut être facilement compris. Il fonctionne avec un cycle d'admission, de compression, de détente et d'échappement. Normalement, dans toute turbine à gaz, l'air est comprimé par un compresseur puis conduit à travers une chambre de combustion. Le carburant est brûlé en continu pour le traitement du gaz à haute température et haute pression. L'air/gaz combustible est brûlé (enflammé) et une expansion se produit, générant ainsi de l'énergie rotative qui est utilisée par le compresseur à l'étage précédent. L'énergie restante est utilisée par un arbre de sortie.

Regardez ce qui suit pour en savoir plus sur le fonctionnement de la turbine à gaz :

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

En quelques étapes, laissez-moi vous expliquer comment les turbines à gaz produisent de l'électricité. Eh bien, il subit le même processus que celui indiqué ci-dessus, mais il doit encore clarifier la manière dont l'électricité est créée. Pour produire de l'électricité, la turbine à gaz chauffe le mélange air/carburant à très haute température, ce qui fait tourner les aubes de la turbine. La turbine en rotation entraîne un générateur qui convertit l'énergie en électricité. Les turbines à gaz peuvent être combinées avec des turbines à vapeur, dans une centrale électrique à cycle combiné afin de générer une énergie extrêmement efficace. Facile hein ! Voici les étapes :

• Le mélange air-carburant s'enflamme.
• Le gaz chaud fait tourner les aubes de turbine.
• L'arbre de transmission tourne avec les pales.
• La rotation de la turbine alimente le générateur.
• L'aimant du générateur fait bouger les électrons et crée de l'électricité.

Avantages et inconvénients de la turbine à gaz

Avantages :

Vous trouverez ci-dessous les avantages du moteur à turbine à gaz dans leurs différentes applications :

• Le rapport puissance/poids est très élevé par rapport aux moteurs alternatifs.
• Plus petit que la plupart des moteurs alternatifs de même puissance nominale.
• Moins de pièces mobiles
• Rotation en douceur de l'arbre principal
• Moins de vibrations que les moteurs alternatifs.
• La chaleur perdue est dissipée presque entièrement dans l'échappement.
• Des pressions de combustion de pointe faibles sur les moteurs alternatifs.
• Faible coût et consommation d'huile de lubrification.
• Une variété de carburants peut être utilisée pour le fonctionnement.
• L'échauffement n'est pas nécessaire après le démarrage.
• Le coût initial est inférieur.
• Nécessite moins d'espace.

Inconvénients :

Malgré les bons avantages des moteurs à turbine à gaz, certaines limitations subsistent. Vous trouverez ci-dessous les inconvénients d'une turbine à gaz dans ses différentes applications.

• Le coût du moteur est élevé en raison des matériaux exotiques.
• Démarrage plus long
• Moins réactif aux variations de la demande d'électricité.
• L'efficacité inhérente est inférieure.

Conclusion

Les moteurs à turbine à gaz sont largement connus pour les applications aéronautiques, en effet, les différents types de turbines listés ci-dessus sont utilisés dans l'aviation. La turbine à gaz offre de bons avantages dans la plupart des situations et utilise de l'énergie chimique pour son fonctionnement. C'est tout pour cet article, où nous avons expliqué la définition, les applications, la fonction, les composants, le schéma, les types et le fonctionnement d'une turbine à gaz. Nous avons également discuté de ses avantages et de ses inconvénients.

J'espère que vous avez apprécié la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec d'autres étudiants. Merci d'avoir lu, à la prochaine !