Turbine à gaz

TURBINE A GAZ

I -INSTALLATION

1-1 Caractéristiques

Il s'agit d'une turbine à gaz GT 85 MK II à deux arbres, à chambre de combustion à flux direct. L'ensemble tournant comporte un compresseur et une turbine centrifuge à un étage puis une turbine de puissance centrifuge.

L'arbre de puissance est accouplé à un frein dynamométrique à eau équipé d'un tachymètre. Dans la plage de vitesses de rotation de 10000 à 30000 tr/min il peut fournir une puissance d'environ 1 kW.

L'échappement est constitué d'un tube d'insonorisation court, prolongé par une conduite de grand diamètre débouchant à l'extérieur. Les instruments de mesure de température, de pression et la commande du débit de combustible sont rassemblés sur un pupitre de commande.

1-2 Fonctionnement

Le chemin emprunté par l'air et les gaz à l'intérieur de l'installation sera repéré à l'aide d'indices permettant de caractériser la température et la pression en différents endroits (figure 1).

* L'air aspiré (état A) traverse d'abord une tuyère et pénètre dans le compresseur (1) où il est comprimé (2). L'air est alors séparé en deux flux distincts :

* En sortant du compresseur (2) l'air primaire, en rapport sensiblement stoechiométrique par rapport à la quantité de carburant injecté est introduit dans la chambre de combustion dans un écoulement co-courant au jet de carburant. Ce flux apporte une quantité de comburant théoriquement nécessaire à une combustion complète.

* L'air secondaire, circulant autour de la zone primaire permet d'assurer une combustion effectivement complète et une dilution qui permet un refroidissement des gaz brûlés (tenue thermique de la turbine).

L'ensemble des gaz est dirigé vers le distributeur qui les oriente sur les pales de la turbine (3). Aprés détente dans celle-ci (4), ils traversent le diffuseur, sortent de la turbine à gaz et sont détendus à nouveau dans la turbine de puissance (5).

Le carburant est injecté de manière continue à l'extrémité de la chambre de combustion. Le fuel utilisé a un rapport C/H tel que le rapport stoechiométrique air/combustible est 0 = 14,6. L'inflammation dans la chambre de combustion est initiée par une bougie à allumage intermittent.

- Schéma de l'installation -

Fig. 1.

II - PRINCIPALES GRANDEURS MESUREES ET INSTRUMENTS DE MESURE

La figure 1 donne le schéma de l'installation avec l'emplacement des diverses sondes. En dehors de la pression et de la température atmosphériques TA et PA, les principales grandeurs à mesurer sont :

• La dépression au col de la tuyère d'entrée pA-1, mesurée à l'aide d'un manomètre en U à eau. Celle-ci permet la détermination du débit d'air à l'entrée de la machine grâce à utilisation d'une courbe d'étalonnage de la tuyère (figure 3).

• La pression relative, à la sortie du compresseur (P2), mesurée grâce à un manomètre à aiguille.

• La pression en sortie de la chambre de combustion (P3), mesurée par un manomètre à aiguille.

• La pression en sortie de la turbine à gaz (P4), mesurée par un manomètre à aiguille

• La température de l'air (T2) à la sortie du compresseur, mesurée par un thermocouple relié à un indicateur à aiguille.

• La température (T4) à la sortie de la turbine à gaz, mesurée également par un thermocouple et un indicateur à aiguille.

• La température (T5) à la sortie de la turbine de puissance, mesurée également par un thermocouple et un indicateur à aiguille.

• La pression entre la sortie de la turbine de puissance (P5), mesurée par un manomètre en U à mercure (pertes de charge dans la cheminée d'échappement).

• Le débit volumique de carburant déterminé par la position du flotteur dans le rotamètre. Le débit massique pourra être obtenu par la mesure de la densité du carburant.

III - CYCLE THERMODYNAMIQUE

3-1 Cycle idéal

Le cycle idéal d'une turbine à gaz est un cycle de Joule. Il est constitué:

* d'une compression isentropique (de 1 à 2').

* d'un apport de chaleur à pression constante (P2) (de 2' à 3').

* d'une détente isentropique (de 3' à 5').

* d'une évolution fictive de fermeture du cycle, cession de chaleur à pression constante PA, de 5' à A.

Le rendement thermodynamique théorique de ce cycle est:

En considérant une évolution de gaz parfaits (débit ) :

De plus, par suite des évolutions isentropiques, on a les relations:

donc

Si on désire plus de précision on doit effectuer les calculs des enthalpies en tenant compte des variations de Cp avec la température.

3-2 Cycle réel

Il s'agit du cycle 1, 2, 3, 4, 5, A. Ce cycle diffère du cycle idéal par les pertes mécaniques et thermiques (irréversibilités internes et externes):

* La pression à l'entrée du compresseur P1 est inférieure à la pression

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