Turbines à gaz

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Turbines à gaz

Jean LEHERVET
25/04/2014
Turbines à gaz - Complément à la visite AGREPI-Est du 21/03/2015 - p. 1
General Electric - France (Belfort)
Aspiration
Compresseur
Ch. de Combustion
Turbine compresseur
Turbine à gaz General Electric
Turbine puisance
Arbre alternateur
Jean LEHERVET
25/04/2014
Turboréacteur General Electric - J85 -17A
1 - Principe de fonctionnement
Un turboréacteur d'avion et une turbine à gaz sont basés sur le même principe de fonctionnement
La différence tient essentiellement à la façon dont est utilisée l'énergie disponible après la turbine HP
- énergie cinétique du jet à l'échappement dans le cas d'un turbo réacteur
- énergie mécanique sur l'arbre d'un alternateur dans le cas d'une turbine à gaz
même si les utilisations et les contraites qui en résultent aboutissent à des équipements
très différents en ce qui concerne:
- les puissance disponibles et le mode d'utilisation de celles-ci
- les combustibles utilisés
- les encombrements et poids, l'échantillonnage des constituants et les rêgles de maintenance
- les impératifs environnementaux qui en découlent (niveau de bruit , pollution, etc…)
Jean LEHERVET
25/04/2014
1.1 Rappel de quelques lois physiques fondamentales
1.1.1 Loi de gaz parfaits : P.V / T = Cte
V= volume(m3)
P = pression absolue (pascal)
T = température absolue (°K = 273+°C)
1.1.2 Théorème de Bernouilli : dans une canalisation Pstat + rV /2 = Cte
r = masses spécifique du fluide (kg/m3)
Pstat = pression statique (manometre / Pascal)
2
V = vitesse du fluide (m/s)
1.1.3 Quantité de mouvement (Théorème d'Euler):
F = S - M.V
F = force de réaction exercée par le fluide (Newton)
M = masse (kg de fluide/s)
(ex. :la force de recul d'une lance à incendie = débit d'eau (kg/s) x La vitesse du jet (m/s))
E = 1/2 M.V
1.1.4 Energie cinétique:
E = énergie cinétique (Watt)
2
M = masse (kg de fluide/s)
1.1.5 Energie thermique/ Pouvoir calorifique
Pouvoir calorifique(PCS)
d'un combustible (liquide ou gazeux) = chaleur dégagée par la combustion
d'un kg ou un m3 du combustible
Pouvoir calorifique du fuel domestique ~
3
(généralement en kWh/kg ou m )
12,7 kWh /kg
10,5 kWh/m
Pouvoir calorifique du gaz naturel ~
Energie thermique =
PCS . Consommation
3
1.1.6 Portance / Trainée
L'écoulement dissymétrique d'un fluide animé d'une vitesse V autour d'un profil immergé engendre
2 forces sur ce profil:
- la portance
P
P
- la trainée
T
V
V
T
La portance P =1/2 Cz rV2 contribue par ex. à compenser le poids d'un avion en vol,à faire tourner les
ailes d'un moulin (ou les aubes d'une turbine)
- la trainée T = 1/2 Cx rV2
contribue à la résistance à l'avancement ( ou à la rotation) de ces mêmes
objets
Pour des ailes d'avion , des pales d'hélice ou des aubes de turbine, on recherche à optimiser les profils
maximiser la portance et minimiser la trainée, en fonction du fluide et du domaine de vitesse
Jean LEHERVET
25/04/2014
Turbines à gaz - Complément à la visite AGREPI-Est du 21/03/2015 - p. 3 suite
1.1 Rappel de quelques lois physiques fondamentales (suite)
1.1.7 Vapeur saturée / vapeur surchauffée
Si l'on chauffe 1 kg d'eau liquide à la pression atmosphérique, sa température augmentera de 1°
pour 4,18 kJ de chaleur fournie jusquà 100°C. Si,à ce point, l'on founit 2250 kjoules supémentaires,
ce kg d'eau se transformera intégralement en vapeur (eau à l'état gazeux) . Si on la refroidit, .
cette vapeur se re-transformera en eau liquide : on dit que la vapeur est saturante
Si on chauffe cette vapeur saturante (un gaz) au-delà de son point d'équilibre , elle se comporte alors
comme un gaz" normal" suivant la loi des gaz parfaits (Cf § 1.1.1): on parle alors de vapeur surchauffée
Si l'on refroidit la vapeur surchauffée, elle se comportera comme un gaz jusqu'à l'apparition de la
condensation: la vapeur redevient saturante et le couple pression / température reste constant
tout le processus de condensation.
Seule la vapeur surchauffée est utilisable dans une turbine
à vapeur puisqu'on utilise le travail de détente du gaz- vapeur pour faire tourner la turbine
Détente '=
pression
température
volume
Si l'on utilisait de la vapeur saturée
température
=
condensation eau,donc plus de vapeur
Pression (bars effectifs)
Vapeur
surchauffée
Vapeur saturée
2
1
Eau liquide
100
120
140
Température
°C
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1.2 Principes de fonctionnement
Turbine
1er
étage
Chambre de combustion
Aubages
directeurs
1er
étage
(fixes)
Turbine
2eme
étage
P
P
Combustible
Air du compresseur
P0 > P1
P3
P2
P1
P0
P1 >> P2
P2 > P3
1.2.1 Chambres de combustion
Dans les chambres de combustion,réparties en périphérie (ou une seule chambre annulaire selon les
modèles) ,le combustible est mélangé à l'air provenant du compresseur (V.§ 1.2.3 ci -après) et
enflammé. Pour limiter la température dans la chambre de combustion et sur les aubes de la turbine
en aval à des températures de ~ 1000 -1300°C supportables mécaniquement par les matériaux .
(V. § 3 ci-après : super alliages)
- de l'air est injecté en excès (~30%) par rapport à la quantité strictement nécessaire à la combustion
( température de flamme gaz naturel ~1800°C)
- l'air circule autour de la chambre avant d'y d'être injecté, de façon à refroidir la paroi intérieure
Le combustible peut être gazeux (gaz naturel) ou liquide pulvérisé (carburéacteur, fuel léger)
Le volume des chambres étant inchangé, l'augmentation de température entraine une augmentation
correspondante de la pression (Cf § 1.1.1): PV/T = Cte - si T
P
1.2.2 Turbine
En sortie des chambres de combustion, la turbine est composés de plusieurs disques mobiles
(2 à 5 selon les types), clavetés sur un arbre commun qui entraine également le compresseur.
(V.& 1.2.3 ci - après) .
En périphérie, les disques sont munis d'aubes profilées (V. croquis ci-dessus)
Entre les disques de turbine, d'autres aubages profilés (aubages directeurs) - solidaires du stator,donc fixes,
réorientent le flux de gaz chauds pour qu'ils attaquent les aubages du disque suivant en créant le maximum
de portance.
Ceux -ci se détendent en sortie de chambre de combustion (si le volume augmente,la vitesse de sortie
Cf. 1.1.1 et 1.1.2).
Jean LEHERVET
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1.2 Principes de fonctionnement (suite 1)
1.2.2 Turbine (suite)
En passant sur les aubages profilés de la turbine, les gaz de combustion génèrent une force de portance
sur chaque aube, (Cf & 1.1.6),
dont la somme crée un couple moteur mettant l'arbre en rotation
La turbine comprend autant d'étages que nécéssaires pour entrainer le compresseur.
Entre chaque étage de turbine (solidaire de l'arbre en rotation), des aubages directeurs fixes
(solidaires du stator) réorientent le flux d'échappement pour qu'il attaque les aubes mobiles avec
un angle optimum pour générer la portance. Celle-ci étant proportionelle au carré de la vitesse des gaz,
les aubages directeurs sont convergeants pour augmenter la vitesse de l'échappement ; d'où une chute de
de pression à chaque étage
(Cf § 1.1.2)
Trois aspects sont à noter quant à ces aubages de turbine (fixes ou mobiles):
- la détente des gaz d'éc hapement augmente le volume de gaz à chaque étage de turbine
les dimensions des aubages augmentent d'amont en aval
- cette détente n'a pas lieuque dans la dimension axiale,elle est aussi radiale
une forme en "aile vrillée" des pales (extèmement complexe à optimiser)
- les aubages de la partie "turbine" sont soumis à des températures très élevées (~1000 °C), à une force
centrifuge considérable (~ 3000 tours /mn), à des effets d'abrasionpar les gaz chauds àgrande vitesse
leur réalisation pose des problèmes métallurgiques et mécaniques considérables
(utilisation d'alliages spéciaux, aubes creuses refroidies par emprunt d'air au compresseur, revêtement
par des matériaux céramiques isolants et anti-usure, procédés de formage, etc…)
1.2.3 Compresseur
Le compresseur a pour but d'alimenter la (les) chambres de combustion en air comprimé.
Il comprend de 10 à 15 "roues" munies d'aubages et clavetées sur l'arbre commun avec la turbine,
qui les met en rotation.
Son principe de fonctionnement est exactement l'inverse de celle-ci.
La 1ere roue du compresseur aspire l'air extérieur et lui communique une vitesse .Des aubages directeurs divergents transforment cette vitesse en augmentation de la pression statique (Cf.§ 1.1.2);
et ainsi de suite jusqu'à atteidre la pression souhaitée à l'entrée des chambres de combustion.
Les pressions augmentant de l'aspiration vers les chambres de combustion, la taille des aubages
va en diminuant. La complexité de forme reste la même, mais les contraintes thermiques
étant beaucoup plus faibles (simple échauffement de l'air par compression),
le refroidissement
des aubages n'est plus nécessaire et 'on peut utiliser des alliages plus courants (aciers inox ou équiv.)
1.2.4 Echappement
Le but d'un turboréacteur ou d'une turbine à gaz n'est évidemment pas seulement de faire tourner
le compresseur à l'aide de la turbine, mais bien de récupérer l'énergie résiduelle présente dans les gaz
d'échappement. Selon l'usage envisagé, 2 possibilités sont offertes:
- Turboréacteur: on récupère l'énergie cinétique des gaz d'échappement (Cf. § 1.2.4)
2
2
2
1/2* Masse de l'avion * V avion= 1/2* masse de gaz éjectée(V gaz -V avion)
Un turboréacteur est caractérisé par sa " poussée" (en kgf V. § 1.1.4)
= masse de gaz éjectée(kg/s). Vitesse d'éjection(m/s)
On peut augmenter la poussée(donc l'énergie des gaz d'échappement) en brûlant du carburant supplémentaire dans l'excès d'air introduit au niveau des chambres de combustion.C'est la post-combustion
ou réchauffe (avions militaires: Augmente considérablement la vitesse…e la consommation)
Jean LEHERVET
25/04/2014
1.2 Principes de fonctionnement (suite2)
1.2.4 Echappement (suite)
- Turbine à gaz : on récupère l'énergie mécanique des gaz d' échappement
On installe en aval de la turbine d'entrainement du compresseur (Cf. § 1.1.2 ) une 2e turbine "de travail"
(dite aussi turbine de puissance , pour la différencier de celle entrainant le compresseur dite alors turbine HP)
Comprenant habituellement de 2 à 5 roues supplémentaires, cette turbine de puissance peut:
- soit être montée sur l'arbre principal unique
-soit entrainer un arbre séparé comme sur la coupe page1
Elle fournit alors l'énergie nécessaire l'appareillage entrainé alternateur (en général) ou système
de propulsion via un réducteur (navires rapides ou turbo-propulseurs d'avions ou hélicoptères)
Une variante aéronautique consiste à faire entrainer par cette turbine - via un arbre passant à l'intérieur
de celui entrainant le compresseur - un système d'aubages soufflant à l'extérieur du réacteur.
L'énergie cinétique de ce courant d'air froid (m élévé , V faible)se rajoute à celle des gaz d'échappement
( réacteur double-flux , ou fan-jet)
Le croquis ci-après donne un ordre de grandeur des différents paramètres pour un turboréacteur simple
P bar
V m/s
1500
15
500
1000
10
250
500
5
125
0
0
°C
0
Compres
Ch. combus.
Turb
Echap.
Jean LEHERVET
25/04/2014
1.3 Auxiliaires
Dans le fonctionnement des turbines à gaz comme des turborécteurs, certains"détails" méritent
une attention toute particulière.
1.3.1 Lubrification
Il s'agit ici de lubrifier les paliers de l'arbre du rotor, tournant à env. 3000trs/mn, à des températures
de l'ordre de 1000°C pour les paliers de turbine .Le choix du lubrifiant et surtout son refroidissement
efficace sont des impératifs de bon fonctionement ,mettant en jeu des volumes significatifs (en m3
dans le cas de grosses turbines à gaz). Les feux d'huile constituent le risque n°1 des turbines à gaz
(comme d'ailleurs des turbines à vapeur)
1.3.2 Atténuation du bruit
Le niveau de bruit de l'échappement à l'air libre d'une turbine à gaz dépasse les 120 dB.
La présence d'un silencieux d'échappement conséquent s'impose donc pour des applications autres
qu'aériennes , ou celles avec récupération de chaleur des gaz d'échappement (cycle combiné par ex.
Cf Chap. 2 ) La turbine à gaz doit aussi être installée dans un abri/ shelter insonorisé.
La norme NF ISO 10 494 prescrit un niveau sonore < 80 dB à 1m de la turbine à gaz.
Le silencieux d'échappement ne doit cependant engendrer qu'une perte de charge minimale,
sous peine de nuire aux performances de la turbine.
1.3.3 Filtre d'aspiration
L'aspiration de corps étrangers (graviers, débris de branches) risque d'endommager gravement les
aubages du compresseur. De même l'ingestion de sable ou de poussière abrasive, compte tenu des
volumes d'air aspirés, risque d'user prématurèment les différentes éléments. Un filtre à l'aspiration
(à faible perte de charge)
est également nécesaiire
1.3.4 Systêmes de sécurité
Le contrôle fiable de la vitesse de rotation est un impératif, la force centifuge supplémentaire en cas de
survitesse pouvant littéralement"désintégrer" les parties en rotation. Le rotor inclue obligatoirement
un système mécanique de contrôle de rotation (type régulateur de Watt évolué) coupant l'alimentation
en carburant en pareil cas.
Un système de détection incendie avec extinction et inertage de la réserve d'huile de lubrification est
également recommandé.
1.3.5 Vireur
Afin d'éviter une déformation par flexion du rotor en cas d'arrêt prolongé , pouvant générer des
vibrations à la vitesse nominale de rotation, les turbines à gaz(du moins les plus grosses) sont munies
de "vireurs" = groupe moto-électrique (alim. extérieure) faisant tourner le rotor à qques trs/mn pour éviter
une déflexion de l'arbre de la turbine à gaz
Jean LEHERVET
25/04/2014
2 - Turbine à gaz & production d'électricité
2.1 les différents moyens de production électrique
L'on s'intéresse ici à la production d'électricité industrielle, avec des puissances de l'ordre du Mégawatt
(MW) , de façon permanente ou temporaire(effacement de pointes de consommation, saisonnalité, etc..)
L'électricité est produite à la demande (indépendamment des conditions météorologiques) par:
-2.1.1 - les groupes électogènes à moteur Diesel:
'- Diesel rapides (4 temps) alimentés au gasoil pour des puissances max. ~ 5 MW , disponibles
"sur étagères" en groupes complets intégrés sur chassis ou shelter
'- Diesel lents (2 temps) du type utiliés en propulsion navale (porte-containers,pétroliers) pour des
puissances de plusieurs dizaines de MW , alimentés en gaz naturel ou fuel léger.
La taille , le poids, le bruit et les vibrations engendrés par ces groupes nécessitent des fondations
conséquentes et des mesures anti-bruit importantes.
Le rendement global = Puissance électrique produite (Watts) / Consommation d'énergie
= P élec (W) /Conso (kg/s)*PCS combustible
atteint 40 à 45% pour un Diesel 4 temps et jusqu'à 50% pour un Diesel lent
- 2.1.2 - les turbines à vapeur
La vapeur surchauffée produite par une chaudière est détendue dans une turbine à vapeur
en plusieurs étapes (haute pression, moyenne,basse pression),condensée par unfluide de refroidissement (eau ou air) et l'eau condensée recyclée vers la chaudière
La chaudière peut être à combustible fossile (fuel lours, gaz naturel, voire charbon pulvérisé)
avec une pression de vapeur atteignant 150 bars et une capacité de production de 100 à 600 MW par
tranche (plusieurs pouvant être juxtaposées dans une centrale). Le rendement global peut atteindre
55% et la capacité de modulation de 30% à 100% de la puissance nominale.
Par contre la durée
de mise en route de la tranche "froide" est de l'ordre de 5 à 8 heures afin de réchauffer progressivement
la chaudière et la turbine
Jean LEHERVET
25/04/2014
2 - Turbine à gaz & production d'électricité (suite1)
2.1.2 Turbines à vapeur (suite)
La "chaudière" peut aussi être un réacteur nuclèaire avec une pression de vapeur d'env. 45 bars et
une puissance de 900 à 1600 Mw par tranche sur la turbine , la production variant entre 70 et 100% du
nominal compte tenu de la faible capacité de modulation du réacteur nucléaire.
Celui -ci n'est arrêté qu'env. 1 mois tous les 6 à 8 mois pour rechargement partiel du combustible
Les centrales nuclèaires fournissent donc au réseau la consommation de base , utisée 365 Jours/an,
24h/24 , avec une très grande fiabilité, mais au prix d'investissements considérables et de problématiques politiques et environnementales complexes.
La modulation de la fourniture en fonction des consommations saisonières et jounalières
étant assurée par les centrales thermiques et ,plus récemment,
(heures pleines , creuses, de pointe)
par des turbines à gaz de forte puissance.
Celles-ci nécessitent en effet des investissements très inférieurs, une moindre complexité d'installation (pas de fondations lourdes, pas de source froide pour condensation de vapeur) et une très grande
souplesse d'exploitation ( temps dedémarrage en minutes, grande facilité de variation de charge)
2.2 les turbines à gaz
2.2.1 Turbines à gaz seules
Il s'agit des turbines à gaz décrites au Chap. 1
Pour les puissances de qques MW à ~2O MW, il s'agit essentiellement de turboréacteurs ou turbo propulseurs disposant d'une turbine de puissance en complément de celle entrainant le compresseur
( Cf. §1.1.4) .
Pour les puissances supérieures (de 30 à 250 W dans la gamme General Electric vue à Belfort) il s'agit
de turbines spécifiques.
Leurs nombreux avantages sont contre-balancés par un rendement énergétique faible (30 à 35 %)
consécutif à l'excès d'air admis pour limiter la température de combustion
( Cf. §1.1.4) .
Jean LEHERVET
25/04/2014
2 - Turbine à gaz & production d'électricité (suite 2)
2.2 les turbines à gaz (suite)
2.2.2 Cogénération (cogen)
On récupère la chaleur des gaz d'échappement grace à un échangeur en aval, permettant de réchauffer
un fluide (eau , air , etc..) , voire de produire de la vapeur saturée, qui sont ensuite utilisés dans un
process industriel.
L'optimisation esr souvent faite surla base de ces besoins de"chaleur process"
l'électrcité produite (que l'on n'a plus dès lors à acheter sur le réseau) étant considérée comme un
sous-produit valorisé - et un facteur supplémentaire de sécurité quant à l'alimentation électrique.
Le rendement énergétique global (électricité + chaleur récupérée) est d'env. 40 à 45% .
Il faut toutefois veiller à ce que la perte de charge à l'échappement, inséparable de l'installation du
système de récupération de chaleur ,ne dégrade pas excessivement les performances de la turbine.
2.2.3 Cycle combiné
Ce système associant une turbine à gaz et une turbine à vapeur permet d'obtenir un rendement
énergétique global d'env. 60% tout en conservant la flexibilité de production d'une turbine à gaz.
Jean LEHERVET
25/04/2014
2 - Turbine à gaz & production d'électricité (suite 3)
Les gaz d'échappement de la turbine à gaz - incluant l'excès d'air aspiré par la turbine - sont envoyés
vers une chaudière de récupération, avec injection possible de carburant dans celle-ci; équivalant à
une post-combustion (Cf. § 1.1.4). La chaleur (gaz d'echappement + post-combustion) est utilisée
pour produire de la vapeur surchauffée,détendue dans une turbine à vapeur atelée à un 2e alternateur (ou couplée au même alternateur que la turbine à gaz).
L'on dispose ainsi du maximum de flexibilité et d'un rendement énergétique aussi poussé que sur
une centrale thermique conventionnelle, tout en minimisant les besoins d'eau de refroidissement
(condenseur de l aturbine à vapeur)

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