Les turbines à gaz : définition, utilisations et composants essentiels

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

Cet article couvre la définition, applications, fonction, composants, schémas, types, principes de fonctionnement des turbines à gaz, ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Qu'est-ce qu'une turbine à gaz ?

Une turbine à gaz est un dispositif mécanique qui transforme l'énergie chimique d'un carburant (gaz naturel ou similaire) en énergie mécanique. L'énergie mécanique générée par l'arbre de la turbine est transmise par un réducteur à l'arbre du générateur. Ainsi, l'énergie électrique est produite. 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. Différents carburants peuvent être utilisés : fioul, gaz naturel, carburants synthétiques. La combustion y est intermittente, c'est-à-dire un processus continu.

Une turbine à gaz est aussi appelée turbine de combustion et est un type de moteur à combustion interne continu. Ses éléments fonctionnels principaux : compresseur à gaz rotatif en amont, chambre de combustion, turbine aval sur le même arbre que le compresseur. Un composant est souvent utilisé pour augmenter le rendement et convertir la puissance en forme mécanique ou électrique. Il aide aussi à obtenir un meilleur rapport poussée/poids dans un moteur à post-combustion.

En outre, une turbine à gaz peut être définie comme un moteur à combustion interne utilisant le gaz comme fluide de travail pour faire tourner une turbine. La puissance finale peut entraîner un générateur, une pompe, une hélice, ou dans le cas d'un pur réacteur d'avion à réaction.

Applications des turbines à gaz

Une turbine à gaz peut alimenter : avions, trains, navires, générateurs électriques, pompes, compresseurs de gaz, chars, etc. Examinons les applications en détail.

• Production d'énergie électrique — Outre l'aviation, l'industrie électrique utilise largement les turbines à gaz. Les turbines à vapeur peuvent aussi servir.
• Usages industriels
• Propulsion marine
• Propulsion ferroviaire
• Propulsion automobile

Les moteurs à turbine à gaz servent de centrales de "pointe" (peak load) de taille moyenne, fonctionnant par intermittence pendant de courtes durées de forte demande d'énergie sur un réseau électrique.

Les turbines à gaz sont utilisées pour le pompage de gaz naturel dans les pipelines, une petite partie du gaz pompé servant de carburant à la turbine.

Le raffinage du pétrole utilise aussi ce système. De petites turbines à gaz portables avec compresseurs centrifuges font fonctionner des pompes.

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

Composants des turbines à gaz

Compresseur :

Les compresseurs utilisés sont de différents types ; les premiers employaient des compresseurs centrifuges. Conception relativement simple et peu coûteuse. Limités à de faibles taux de compression et inférieurs aux compresseurs axiaux modernes en rendement. Les compresseurs centrifuges sont encore employés aujourd'hui dans les petites unités industrielles.

Chambre de combustion :

Deux flux d'air proviennent du compresseur. Le flux mineur est alimenté centralement dans une zone où le carburant atomisé est injecté et brûlé avec une flamme maintenue par un obstacle générateur de turbulence. L'autre flux, flux de refroidissement, est alimenté dans la chambre par des trous le long d'une "chemine de combustion" (combustion liner, une sorte de coquille). Cela réduit la température globale à un niveau adapté à l'entrée de la turbine.

Turbine :

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

Contrôle et démarrage :

Pour un moteur à turbine à gaz entraînant un générateur électrique, la vitesse doit être contrôlée et constante indépendamment de la charge électrique. Réduire le débit de carburant abaisse la température de sortie de la chambre de combustion. De ce fait, la chute d'enthalpie disponible pour la turbine diminue même si le rendement de la turbine est légèrement réduit. Le contrôle dans les moteurs à turbine à gaz d'aviation est plus difficile.

Autres considérations de conception :

Avec les conceptions modernes, des pièces fonctionnelles supplémentaires peuvent être ajoutées pour améliorer le rendement.

Schéma de moteur à turbine à gaz :

Types de turbines à gaz

Turboréacteur (Turbojet) :

Moins complexes que tous les moteurs à turbine d'avion. Quatre sections : compresseur, chambre de combustion, section turbine, échappement. Disponibles depuis des décennies, développés en Allemagne et Angleterre avant la Seconde Guerre mondiale. Dans le turboréacteur, l'air passe à haute vitesse dans la chambre de combustion. Cette chambre admet le carburant et contient un allumeur. La turbine est entraînée par l'air en expansion, la poussée provenant des gaz d'échappement accélérés.

Turbopropulseur (Turboprop) :

Hélices entraînées par un réducteur, fournissant un régime optimal d'hélice à bas régime. Meilleur rendement énergétique et performances à basses vitesses aériennes, rendant les turbopropulseurs meilleurs pour avions légers, avions de liaison, avions cargo, usage agricole. Note : les hélices sont moins efficaces à haute vitesse, les rendant adaptés aux avions ne voyageant pas à grande vitesse.

Turbofan :

Moteur à turbine d'avion détournant un flux d'air secondaire autour de la chambre de combustion, créant une poussée supplémentaire. Les turbofans sont les versions modernes sur avions de transport rapide et chasseurs.

Turbomoteur (Turboshaft / post-combustion turbojet) :

Utilisés principalement dans les chasseurs. Incluent un post-brûleur (afterburner) dans un turboréacteur de base pour utiliser l'énergie de l'échappement afin de faire tourner la turbine. Carburant additionnel injecté dans le flux d'échappement quand le post-brûleur est actif, produisant une poussée supplémentaire. Ne produit pas de vitesse additionnelle pour l'avion et consomme plus de carburant qu'un turboréacteur traditionnel.

Principe de fonctionnement de la turbine à gaz

Le fonctionnement est simple à comprendre. Il opère selon un cycle : admission, compression, détente, échappement. Normalement, dans toute turbine à gaz, l'air est compressé par un compresseur puis entraîné dans une chambre de combustion. Le carburant brûle en continu pour un traitement de gaz à haute température et haute pression. Le mélange air/carburant est brûlé (allumé) et la détente se produit, générant une énergie rotative utilisée par le compresseur de l'étage précédent. L'énergie restante est utilisée par un arbre de sortie.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement de la turbine à gaz :

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

En quelques étapes, comment les turbines à gaz produisent l'électricité. Même processus que ci-dessus mais clarification nécessaire. Pour générer l'électricité, la turbine à gaz chauffe le mélange air/carburant à très haute température, faisant tourner les pales 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, en centrale à cycle combiné, pour produire une énergie extrêmement efficace. Voici les étapes :

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

Avantages et inconvénients des turbines à gaz

Avantages :

• Rapport puissance/poids très élevé comparé aux moteurs alternatifs
• Plus petites que la plupart des moteurs alternatifs de même puissance
• Moins de pièces mobiles
• Rotation douce de l'arbre principal
• Moins de vibrations que les moteurs alternatifs
• Chaleur perdue dissipée presque entièrement dans l'échappement
• Faibles pressions de combustion de pointe vs moteurs alternatifs
• Faible coût et consommation d'huile de lubrification
• Variété de carburants utilisables
• Pas de préchauffage requis après démarrage
• Coût initial moins élevé
• Nécessite moins d'espace

Inconvénients :

• Coût moteur élevé dû aux matériaux exotiques
• Démarrage plus long
• Moins réactif aux changements de demande de puissance
• Rendement inhérent plus faible

Conclusion

Les moteurs à turbine à gaz sont connus pour l'aviation ; les divers types listés ci-dessus y sont utilisés. La turbine à gaz offre de bons avantages dans la plupart des situations et utilise l'énergie chimique pour son fonctionnement. Cet article a expliqué la définition, applications, fonction, composants, schémas, types et fonctionnement de la turbine à gaz, ainsi que ses avantages et inconvénients.

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