Rappels sur les compresseurs et les turbines à gaz

La turbine à gaz est modélisée dans la littérature par un système de compression composé:
◆ D’aubes directrices à l’entrée du compresseur,
◆ D’un compresseur qui peut être axial ou centrifuge,
◆ D’un plenum jouant le rôle d’une chambre de combustion,
◆ D’une vanne de contrôle (throttle) simulant le rôle de la turbine (organe couplé au compresseur par l’intermédiaire d’un arbre de transmission).

Aubes directrices

Ce sont des aubes de guidage qui sont situées à l’entrée du premier étage d’un compresseur. Leur fonction consiste à dévier 1′ air de manière à attaquer la première série d’aubes mobiles (rotor) avec l’angle d’incidence voulu. Elles protègent aussi le moteur contre l’injection d’objets étrangers.

On trouve aussi des aubes directrices variables qui permettent de changer 1′ angle d’incidence de l’air à l’entrée en fonction de la vitesse de rotation du compresseur afin d’améliorer ses performances.

La chambre de combustion 

Dans la chambre de combustion, le mélange d’une partie de l’air comprimé dans le compresseur alimente la combustion qui utilise comme combustible le gaz naturel, le diesel ou les huiles lourdes résiduels. Les gaz portés à une haute température entraînent les roues de la turbine, créant de l’énergie mécanique, qui sert à entraîner le compresseur de l’air et n’importe quelle charge mécanique accouplée à la turbine. L’autre partie de l’air qui n’a pas pris place dans la combustion sert à refroidir les différentes parties de la turbine à gaz.

La turbine

Les turbines [ 4] sont généralement plus faciles à concevoir que les compresseurs, puisque les gaz chauds émanant de la chambre de combustion subissent une expansion au lieu d’une compression. On distingue deux types :

Turbine axiale
Dans ce type de turbine, la direction de l’écoulement est parallèle à l’axe de rotation. Le matériau utilisé pour sa fabrication est conçu pour supporter de très fortes températures comme le nimonic (alliage de nickel, chronium et cobalt). Elle est la plus utilisée avec les turbines à gaz.

Turbine radiale
L’écoulement se fait dans la direction perpendiculaire à l’axe de rotation. Elle est surtout utilisée avec les petites turbines à gaz.

Catégories de turbines à gaz 

On classe les turbines à gaz dans deux grandes catégories :

Turbines à un arbre (single shaft)
Dans une turbine à un seul arbre , une seule turbine est utilisée. Elle asservit le compresseur ainsi que l’arbre d’entraînement. Ce dernier transmet l’énergie mécanique produite dans la turbine au compresseur et à la charge; cependant il faut installer une boite d’engrenage pour certaines applications pour que la vitesse de l’arbre d’entraînement s’accommode aux exigences de la charge.

L’inconvénient de ce genre de turbine est qu’on ne peut pas accoupler la charge tant que la turbine n’a pas atteint la vitesse optimale. Pour arrêter cette machine, il faut généralement découpler la charge pour éviter que le couple résistant créé par la charge n’endommage pas l’arbre de transmission.

Les turbines à gaz à un seul arbre sont généralement utilisées lorsqu’elles sont appelées à travailler à vitesse et à charge constantes.

Turbine à deux arbres (twin shaft)
Dans une turbine à gaz à deux arbres , une deuxième turbine est présente dans le système. Un arbre raccorde le compresseur et la première turbine, appelée le turbocompresseur (gas generator). Le deuxième arbre est logé dans la turbine d’entraînement. La première entraîne le compresseur alors que la deuxième, appelée turbine de travail commande l’arbre d’entraînement, qui à son tour fait entraîner la charge, qui peut être un compresseur centrifuge, un générateur, une pompe, etc.

Pour démarrer une turbine à gaz à deux arbres, un couple mécanique est nécessaire à l’entrée du compresseur. Des que la première turbine s’approche de la vitesse appropriée, le débit de gaz de combustion fait tourner la deuxième turbine.

Cette configuration s’avère très utile s1 une variation de vitesse de la charge est prévisible.

Utilisation des Turbines à gaz 

On distingue les turbines à gaz utilisées dans l’industrie (procédés chimiques, génération de l’électricité, etc .. ) qui ont été traitées dans les sections précédentes et celles qu’on rencontre dans l’industrie aéronautique. Dans ce qui suit, on parlera de la deuxième catégorie et on donnera quelques détails concernant les différentes configurations :

Le turboréacteur( turbojet) 

C’est un moteur  équipé d’un système de compression, d’une chambre de combustion, d’une turbine, d’une tuyère de détente (nozzle). L’air aspiré par l’avant est comprimé, chauffé par la combustion d’un carburant, détendu dans la turbine, rejeté vers l’arrière à grande vitesse à travers la tuyère. Les gaz d’échappement rejetés dans l’atmosphère à grande vitesse produisent la poussée qui est le résultat de la transformation de l’énergie interne du moteur en énergie cinétique.

Le turbopropulseur (turboprop) 

C’est un moteur   équipé d’une turbine à gaz qui actionne à la fois un compresseur rotatif et une hélice externe pour produire la poussée. C’est le mode de propulsion le plus économique pour les vitesses moyennes. L’hélice produisant la propulsion est actionnée par une turbine à gaz.

La turbosoufflante(turbofan) 

Le principe est le même que celui d’un turbopropulseur, excepté que le propulseur est remplacé par une soufflante (élément rotatif pour produire la poussée) .

Le turbomoteur (turboshaft) 

C’est un moteur   à turbine analogue au turboréacteur mais l’énergie prélevée par la turbine, entraîne d’autres systèmes de propulsion, généralement un rotor d’hélicoptère, avec un système de transmission composé essentiellement de boite d’engrenage.