Une double demarche de modelisation systemiqueanalytique

1.1 UNE DOUBLE DEMARCHE DE MODELISATION SYSTEMIQUEANALYTIQUE

Pour expliquer l'approche retenue dans cet ouvrage, nous commencerons par

présenter brièvement le fonctionnement d'une turbine à gaz1, l'un des moteurs dont

le principe est le plus simple. Cette manière de faire nous permettra d'entrer dans le

vif du sujet en introduisant un certain nombre de notions nécessaires pour l'étude des

technologies énergétiques : les fluides mis en jeu, les transformations qu'ils subissent

et les composants correspondants, enfin les assemblages de ces composants. Elle

montrera la pertinence d'une double démarche méthodologique.

1.1.1 PHENOMENES PHYSIQUES PRENANT PLACE DANS UNE TURBINE A GAZ

La turbine à gaz, aussi appelée turbine

à combustion, est une machine

thermique qui connaît actuellement

une grande vogue, compte tenu de

ses excellentes performances (rendement

supérieur à 35 % utilisée

seule, et à 55 % en cycle combiné).

Dans sa forme la plus simple et la

plus répandue (figure 1.1.1), cette

machine est composée de trois

éléments :

· un compresseur, généralement centrifuge ou axial, qui sert à comprimer l'air

ambiant à une pression comprise dans les machines modernes entre 10 et 30 bar

environ ;

· une chambre de combustion, dans laquelle un combustible injecté sous pression

est brûlé avec l'air préalablement comprimé (ce dernier en fort excès afin de

limiter la température des gaz brûlés en entrée de la turbine) ;

· une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz à haute

température sortant de la chambre de combustion. Une partie significative (60 à

70 %) du travail récupéré sur l'arbre de la turbine sert à entraîner le

compresseur.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux

continu. On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide

thermodynamique, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut

être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz

naturel ou des distillats légers).

1 Nous nous contenterons ici d'une présentation succincte de cette technologie, le chapitre 2

du tome 2 lui étant dédié

Figure 1.1.1

2 Systèmes énergétiques

Cet exemple très simple n'est pas représentatif, loin s'en faut, du fonctionnement de

tous les moteurs thermiques. Il permet toutefois de se faire une première idée de la

complexité des phénomènes qui y prennent place, et donc des connaissances

nécessaires pour les calculer :

· des couplages existent entre les différents organes constitutifs de la machine. Ils

proviennent d'une part des fluides qui les traversent, et d'autre part de la liaison

mécanique entre les arbres du compresseur et de la turbine ;

· les fluides thermodynamiques sont ici des mélanges gazeux : dans un premier

temps de l'air et du combustible, puis des gaz de combustion. Ils peuvent être

dans chaque cas considérés comme des gaz idéaux, dont les propriétés

thermodynamiques énergétiques dépendent seulement de la température ;

· dans d'autres installations motrices, comme les centrales à vapeur, le fluide

thermodynamique passe alternativement de l'état de liquide à celui de vapeur.

Les modèles de gaz idéaux ne sont alors plus suffisants, et doivent être

remplacés par des modèles de fluides réels beaucoup plus complexes, les

propriétés énergétiques faisant intervenir à la fois la pression et la température ;

· les phases de compression et de détente ont une importance décisive dans le

fonctionnement du moteur, car c'est alors que prennent place les conversions

d'énergie entre le fluide et l'arbre moteur ;

· la réaction de combustion correspond à des phénomènes extrêmement

complexes, actuellement encore imparfaitement connus, mais qui peuvent

toutefois être approchés par différentes méthodes, qui permettent de calculer les

énergies mises en jeu et de se faire une idée de l'origine des émissions de

polluants ;

· enfin, les fluides de travail parcourent les différents organes du moteur, et la

compréhension des conditions de leur écoulement fait appel à des notions

évoluées de mécanique des fluides (qui ne seront pas abordées dans ce livre).

1.1.2 LES TECHNOLOGIES ENERGETIQUES : DES ASSEMBLAGES DE

COMPOSANTS

A

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