Turbines à gaz expliquées (Turbine à combustion)

Qu'est-ce qu'une turbine à gaz ?

Une turbine à gaz est un type de moteur à combustion interne qui convertit l'énergie chimique du carburant en puissance mécanique. Elle se compose de trois composants principaux : le compresseur, la chambre de combustion, et la turbine. Les applications des turbines à gaz sont nombreuses en raison de leur efficacité, coût, et fiabilité. Les turbines à gaz sont également appelées turbines à combustion (ce sont la même chose). Une turbine à gaz montée sur un avion est appelée un moteur à réaction.

Turbine à gaz

Note intéressante : Les turbines à gaz sont appelées ainsi parce qu'elles fonctionnent avec des gaz chauds, et non parce qu'elles brûlent du gaz naturel ! Il est possible pour les turbines à gaz de brûler plus de 30 types de carburants différents, mais le gaz naturel est le plus courant.

Principe de fonctionnement de base d'une turbine à gaz

Le processus de base d'une turbine à gaz implique que l'air soit aspiré par une entrée d'air et passe par le compresseur où il est pressurisé (pression et température augmentées). L'air comprimé passe ensuite par la chambre de combustion où le carburant est injecté et s'enflamme avec l'aide d'un système d'allumage. Lorsque la chaleur est libérée pendant la combustion, cela provoque une expansion rapide des gaz qui entraîne des gaz d'échappement chauds à grande vitesse sortant de la chambre de combustion. Les gaz chauds passent par une turbine, ce qui la fait tourner. Cette action rotative produit un travail mécanique qui peut être connecté à divers ensembles tels que des arbres d'entraînement ou des arbres d'hélice etc. pour effectuer les tâches souhaitées. En plus de fournir une puissance utile, certaines turbines sont également conçues pour d'autres usages comme alimenter des moteurs d'avion.

Voir la section suivante pour une version plus détaillée concernant comment fonctionne une turbine à combustion.

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Comment fonctionnent les turbines à gaz

Une turbine à gaz est un moteur à combustion interne qui utilise un flux continu de gaz pour produire une puissance mécanique (les turbines à gaz sont également connues sous le nom de moteurs à combustion à flux constant en raison du flux constant de gaz qu'elles nécessitent et produisent). Elle fonctionne en comprimant l'air, en brûlant le carburant à l'intérieur d'un espace de combustion (chambre de combustion), puis en utilisant les gaz d'échappement chauds du processus de combustion pour faire tourner une turbine qui produit une puissance mécanique (énergie cinétique).

Les principales parties d'une turbine à gaz sont le compresseur, la chambre de combustion et la turbine. Il est possible de diviser une turbine à gaz en une section froide (entrée d'air et compresseur) et une section chaude (chambre de combustion et turbine). Comme avec d'autres moteurs à combustion interne, les turbines à gaz utilisent le processus de compression, allumage, puissance, échappement; ce processus est également appelé aspirer, comprimer, exploser, souffler!

Pièces de la turbine à gaz

Note intéressante : Les moteurs à combustion interne sont également appelés moteurs IC.

Compression

L'air est aspiré dans la turbine à l'aide d'un ventilateur axial multistade; ce type de ventilateur utilise plusieurs pales de ventilateur installées en rangées et disposées en série. Chaque rangée de pales de ventilateur est appelée un étage de pression car la pression de l'air augmente à mesure qu'il passe sur chaque rangée. La section de la turbine à gaz abritant le ventilateur multistade est appelée le compresseur, car la pression de l'air augmente à mesure qu'il passe par chaque étage de pression. Les turbines à gaz aérodérivatives peuvent avoir des rapports de pression allant jusqu'à 30:1, tandis que les turbines à gaz à cadre lourd ont des rapports de pression allant jusqu'à 18:1. Il est possible de contrôler la quantité de carburant qui sera brûlée pendant la combustion en régulant la pression de l'air fournie et par conséquent la quantité d'oxygène disponible pour la combustion.

En raison de la grande quantité de puissance requise pour entraîner le compresseur, les turbines à gaz ont une efficacité typique de l'ordre de 30-35% (max environ 40%) bien que cela puisse être augmenté jusqu'à 60% si la chaleur perdue est récupérée (les centrales électriques à cycle combiné en sont un bon exemple).

Efficacité de la turbine à gaz basée sur le fonctionnement en parallèle ou en série

Allumage

L'air comprimé du compresseur entre dans la chambre de combustion (chambres de combustion) où le carburant est injecté et mélangé avec lui.  Le carburant est enflammé par un allumeur, qui est similaire dans sa conception à une bougie d'allumage. Une fois enflammé, le mélange air/carburant brûle et il y a une grande augmentation de température. Les températures de décharge de la zone de combustion varient selon la conception, mais des températures allant jusqu'à 1 600°C (2 900°F) ont été atteintes.

Note intéressante : Une chambre de combustion est également appelée un brûleur, chambre de combustion, ou support de flamme.

Puissance (Expansion)

Les gaz chauds de la combustion sont évacués à travers une aube de guidage de buse stationnaire (NGV) puis à travers des rangées de aubes de turbine installées en série. Comme pour les aubes de compresseur, chaque rangée d'aubes de turbine est appelée un 'étage'. Les étages de pression individuels sont parfois regroupés en un étage basse pression et un étage haute pression, selon le nombre d'étages individuels présents.

Une force est appliquée à chaque aube de turbine lorsque les gaz chauds passent à travers la turbine, ces forces combinées produisent un couple qui agit sur un arbre central le faisant tourner. Les vitesses de rotation de l'arbre varient, mais certaines turbines peuvent atteindre des vitesses de rotation supérieures à 20 000 tr/min.

Note intéressante : À mesure que les gaz chauds passent à travers la turbine, leur pression et leur température diminuent ; cette partie de la turbine est appelée la section d'expansion en raison de cette diminution de pression.

Échappement

Les gaz d'échappement chauds sont évacués directement dans l'atmosphère ou vers un autre processus afin que la chaleur puisse être récupérée. Par exemple, un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) peut être installé directement après une turbine à combustion afin de récupérer la chaleur des gaz d'échappement, cette chaleur peut ensuite être utilisée pour générer de la vapeur. La quantité de chaleur disponible est significative, car les températures des gaz d'échappement évacués d'une turbine à gaz typique peuvent atteindre jusqu'à 550°C (1 002°F).

Générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG)

Conceptions de turbines à gaz

Les turbines à gaz peuvent être conçues pour un usage spécifique, comme générer de la poussée (moteurs d'avion), ou de la puissance mécanique pour entraîner des machines comme des pompes ou des générateurs (production d'énergie électrique). Les turbines à gaz aérodérivatives sont utilisées par les avions en raison de leur haute puissance de poussée, tandis que les turbines à gaz à cadre lourd sont utilisées dans l'industrie de la production d'énergie.

Turbine à gaz utilisée pour la production d'énergie

Il est important lors de la construction et de l'exploitation des turbines à gaz que tous les composants soient conçus pour durer ; par exemple, les chambres de combustion doivent pouvoir résister à des températures extrêmes sans subir de dommages et les aubes doivent être fabriquées à partir de matériaux résistants à la chaleur comme le titane pour éviter qu'elles ne surchauffent pendant le fonctionnement.

Ressources supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

https://www.ge.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines.html