Turbine à gaz

ement : Allemagne, 1909-1910.

1791 Premier brevet de turbine à gaz de John Barber, Angleterre

1900/1904 Premiers essais avec la turbine à air chaud selon Stolze

1905 Conception de la turbine à explosion selon Holzwarth

1906/1908 Construction de la première turbine à explosion par BBC pour Dr. Holzwarth

1928 BBC reprend la fabrication d’une turbine Holzwarth améliorée

1933 Mise en opération de la première turbine Holzwarth de BBC, alimentée en gaz de haut fourneau

1934 Développement de la chaudière Velox suralimentée. Environ 80 compresseurs/turbines à gaz furent installés jusqu'à 1939

1937 Mise en service du premier groupe compresseur/turbine à gaz “Houdry” auprès de Marcus Hook Refinery, PA, Etats-Unis d’Amérique. Puissance du groupe: 2000 kW

1937 Commande portant sur le premier groupe de turbine à gaz à cycle simple

Mise en service de la première turbine à gaz de 4000 kW à la centrale de Neuchâtel

4. CLASSIFICATION GENERALE DES TURBINES :

Les turbines a 'vapeur et à gaz peuvent être classées selon :

mode d'action du gaz :

- Turbine a' réaction

- Turbine a' action

mode d'injection du gaz :

- injection totale: Les tuyères sont reparties sur toute la circonférence

- injection partielle: les tuyères sont reparties sur une portion de circonférence

mode de construction :

- turbines à disques: Roues à disque construites séparément et calées sur un arbre.

- turbines à tambours: Les aubes sont calées sur un tambour rapporte à l’arbre

mode de circulation du gaz:

- turbines axiales : Les gaz se déplacent parallèlement à l'arbre de la turbine, (à disque et à tambour)

- turbines radiales :

La direction des gaz est radiale. (Turbine STAL).

En outre on constate quelques types de turbines :

Une turbine à gaz est un moteur rotatif dans lequel un élément actif gazeux habituellement de l’air, se trouve comprimé, chauffé et détendu pour fournir une force utilisable.

C’est un moteur dans lequel l’énergie thermique est transformée en énergie mécanique de rotation de l’arbre moteur ; le travail utile tant produit par la détente des gaz qui traversent les aubages de moteur.

Il existe d'autres classifications pour les turbines à gaz :

Selon la disposition de l’arbre :

1. A arbre unique :

C’est turbine à gaz dans laquelle les composants rotatifs sont couplés mécaniquement sur un arbre commun.

2. A deux arbres :

C’est une turbine à gaz comportent un gazéificateur ( gazogène) composé d’un compresseur, une chambre de combustion et une turbine, l’ensemble est monté sur un arbre commun et d’autre part une turbine de travail et d’une turbine fixe montée sur un arbre indépendant.

Un autre type de machine à deux arbres, est la turbine à gaz à double rotors dont le compresseur est en deux parties ; la partie haute pression et la partie basse pression ; cette dernière est montée sur le même arbre de la turbine.

3. A arbres multiples :

C’est une turbine dont la quelle les rotors des éléments mécaniques sont montés sur plus d’un arbre rotatif. Ces arbres peuvent tourner ou non entre eux avec un rapport de vitesse déterminé entre ces arbres, ils sont appelés arbres flottant, à l’exception de l’arbre d’accouplement.

selon le travail fourni :

Gazéificateur (générateur de gaz) :

C’est une turbine à gaz qui a un ou plusieurs arbres et qui produit des gaz d’échappement chauds, mais pas de travail mécanique.

une turbine de puissance (de travail) :

C’est une machine thermique où une partie de l’énergie de l’élément actif est convertie en énergie mécanique et utilisée pour entraîner une charge qui lui est relié.

Selon conception :

1. turbines à gaz industrielles dites HEAVY DUTY de 10 à 300 Mw et plus.

2. turbines dérivées des moteurs d’aviation de 2 à 50 Mw.

Selon cycle :

1. à cycle ouvert :

Dans les quelles l’élément actif entre dans la turbine à gaz à partir de l’air libre et retourne à l’air libre.

2. à cycle fermé :

Dans les quelles l’élément actif passe successivement dans le compresseur, la chambre de combustion et la turbine sans qu’il ne puisse sortir à l’air libre.

Différentes architectures :

Plusieurs architectures de turbomoteurs sont utilisées à savoir :

A•Turbine liée

B•Turbine libre

C•Turbines à échangeur de chaleur

D•Compression refroidie et détente réchauffée

E•Cycle fermé

A/ Turbine liée :

Elle ne comporte, outre la chambre de combustion, qu’un seul ensemble tournant, arbre sur lequel sont montés le compresseur et la turbine de détente (le tout compose ce qu’on appel générateur de gaz). La chambre de combustion peut être soit intégrée à la machine, soit séparée ; dans ce dernier cas, elle est reliée au compresseur et la turbine par des collecteurs. Cette disposition n’est rencontrée, en pratique, que dans les installations non aéronautiques où les problèmes de masse et d’encombrement sont en général beaucoup moins critiques.

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B/ Turbine libre :

Elle est constituée d’un générateur de gaz bien distinct du récepteur de puissance. Le générateur de gaz peut être mono corps, c’est-à-dire qu’il ne comporte, outre la chambre de combustion, qu’un seul rotor commun au compresseur et à la turbine ; ce dernier organe porte alors le nom de « turbine générateur ». Pour les machines plus sophistiquées, généralement de plus forte puissance, le générateur de gaz peut être double corps , c’est-à-dire constitué de deux ensembles tournants, avec des vitesses de rotation distinctes : un corps basse pression et un corps haute pression. Ce dispositif, où les deux compresseurs fonctionnent en série, facilite la conduite de la machine lors des régimes transitoires rapides lorsque les taux de compression globaux sont élevés ; on évite ainsi de rencontrer le phénomène de pompage. Le récepteur comprend l’organe de détente, appelé turbine de puissance, monté sur un arbre indépendant de celui du générateur de gaz et pourvu ou non d’un réducteur de vitesses. La prise de mouvement peut être avant ou arrière et l’arbre de puissance concentrique ou non à celui du générateur de gaz.

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C/ Turbines à échangeur de chaleur :

Ces machines sont caractérisées par l’emploi d’un échangeur thermique qui récupère une partie de la chaleur perdue dans les gaz d’échappement de la turbine pour la transférer au fluide actif après la compression; de ce fait, pour une même température à l’entrée de la turbine, l’apport de chaleur dû à la combustion est diminué, ce qui améliore le rendement thermique du moteur.

Des gains de 20 à 30 % sont ainsi possibles mais au prix d’une sensible complication de la machine. Bien qu’en principe la récupération puisse s’appliquer aussi bien aux turbines liées qu’aux turbines libres, c’est le plus souvent sur ces dernières qu’elle est utilisée.

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D/ Compression refroidie et détente réchauffée :

La compression refroidie permet d’augmenter la puissance spécifique et le rendement thermique du moteur. On réalise, par le biais d’un échangeur thermique, un refroidissement du fluide actif entre deux éléments du compresseur.

La détente réchauffée, permet aussi l’augmentation de