Turbine à gaz

Une turbine à gaz (dénomination historique, abrégée en TG), appelée aussi turbine à combustion (TAC) ou parfois turbine à gaz de combustion (dénomination la plus précise), est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire :

• soit de l'énergie mécanique par l'entrainement en rotation d'un arbre lui-même couplé à une machine industrielle ou à une hélice
• ou bien de l'énergie cinétique par détente des gaz en sortie de turbine dans une tuyère

La plupart des moteurs thermiques utilisent l'air ambiant comme comburant et lui font subir des transformations suivant trois phases principales qui se succèdent dans l'ordre :

• compression, afin d'élever sa pression et sa température
• avant de pénétrer dans la chambre de combustion où il est mélangé au carburant pour créer le mélange carburé qui sera enflammé
• et fournira l'énergie thermique nécessaire à l'entrainement du compresseur par détente dans la turbine puis l'énergie cinétique ou mécanique demandée par l'application.

Le mot « gaz » dans l'ancienne dénomination « turbine à gaz » (longtemps la plus employée) fait référence au caractère gazeux des éléments entrant dans la combustion, par opposition aux turbines à vapeur dans lesquelles le fluide moteur (de la vapeur d'eau) se condense en liquide.

Le turboréacteur est constitué d'une turbine à gaz particulière qui utilise le principe de la réaction pour propulser certains types d'avions dans le domaine subsonique ou supersonique.

Une turbine à gaz H-Series de General Electric

Principe de fonctionnement

Schéma de fonctionnement d'une turbine à gaz à compresseur axial

La turbine à gaz est un moteur thermique réalisant les différentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes traversés par un fluide moteur gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale par rapport aux moteurs à pistons qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (généralement un cylindre).

Dans sa forme la plus simple, la turbine à gaz fonctionne selon le cycle dit de Joule comprenant successivement et schématiquement :

• une compression adiabatique qui consomme de l’énergie mécanique ;
• un chauffage isobare comme pour un moteur Diesel ;
• une détente adiabatique jusqu'à la pression ambiante qui produit de l’énergie mécanique ;
• un refroidissement isobare.

Le rendement est le rapport du travail utile (travail de détente – travail de compression) à la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement théorique croit avec le taux de compression et la température de combustion. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n’est pas écourtée, et si la veine d'échappement est bien conçue, elle permet de récupérer une partie non négligeable de l'énergie cinétique des gaz chauds sortant des aubages turbine.

La turbine à gaz est le plus souvent à cycle ouvert et à combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange à l’atmosphère. La turbine à gaz peut également être à cycle fermé et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des échangeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente de l’ambiante.

Le cycle de base décrit plus haut peut être amélioré par différents organes complémentaires :

• récupération de chaleur à l’échappement : les gaz très chauds détendus en sortie de turbine traversent un échangeur pour préchauffer l’air comprimé avant son admission dans la chambre de combustion ;
• compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air. La puissance nécessaire à la compression s’en trouve réduite au bénéfice du rendement ;
• combustion étagée : la détente comprend deux étages (ou plus) séparés par un ou des réchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’où amélioration du rendement.

Les deux dernières dispositions visent à tendre vers des transformations isothermes en lieu et place des adiabatiques et se justifient surtout sur les machines à taux de compression élevé. Les trois dispositifs peuvent être réalisés indépendamment ou simultanément. Dans ce cas, on retrouve le cycle dit de Ericsson qui comme le cycle de Stirling présente un rendement théorique égal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette supériorité théorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalancée par l’impossibilité pratique de réaliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs sont réservés aux installations stationnaires du fait de l’encombrement et du poids des échangeurs gaz/gaz.

Principes

Coupe longitudinale d'une turbine à gaz : principaux organes

Se reporter à l'image ci-contre :

1. Le compresseur (« C »), constitué d'un ensemble d'ailettes fixes (stator) et mobiles (rotor), comprime l'air extérieur (« E »), simplement filtré, jusqu'à 10 à 15 bars, voire 30 bars pour certains modèles.
2. Du combustible (« G ») (gazeux ou liquide pulvérisé), est injecté dans la (les) chambre(s) de combustion (« Ch ») où il se mélange à l'air comprimé pour entretenir une combustion continue.
3. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (« T »), où l'énergie thermique et cinétique des gaz chauds est transformée en énergie mécanique. La turbine est constituée d'une ou plusieurs roues également munies d'ailettes précédées d'aubages fixes (directrices). Les gaz de combustion s'échappent par la cheminée (Ec) à travers un diffuseur.
4. Le mouvement de rotation de la turbine est communiqué à l'arbre (« A ») qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge qui n'est autre qu'un appareil (machine) récepteur(ice) (pompe, alternateur, compresseur…) accouplé à son extrémité.

Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (« M ») qui joue le rôle de démarreur ; dans certaines configurations, c'est l'alternateur du groupe lui-même qui est utilisé en moteur pendant la phase de lancement. Le réglage de la puissance est possible en agissant sur le débit de l'air en entrée et sur l'injection du carburant. Le réglage de la vitesse de rotation n'est possible que si l'organe entraîné le permet : en effet, dans le cas d'un alternateur connecté à un réseau électrique à fréquence fixe (par exemple 50 ou 60 Hz), cette fréquence impose une vitesse fixe, le débit de carburant sert alors a régler la puissance produite.

Dans certaines machines, en particulier « heavy duty » modernes, la charge est entraînée par l'arbre côté compresseur, ce qui permet de placer un diffuseur très efficace en ligne à la sortie des gaz chauds avant de les envoyer à la cheminée ou à la chaudière de récupération. Cela permet également de diminuer fortement les problèmes d'alignement relatif de la turbine et de la charge entre l'état froid et l'état chaud du groupe.

Rendement

Le rendement faible de la turbine à gaz (25 à 35 %) est dû au fait que, comme dans un moteur à pistons, une partie de l'énergie fournie par le combustible est nécessaire pour entraîner le compresseur et une autre perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Il est possible d'améliorer légèrement le rendement en augmentant la température dans la chambre de combustion (plus de 1 200 °C) mais on se heurte au problème de tenue des matériaux utilisés pour la réalisation de la partie turbine. C'est en récupérant la chaleur des gaz d'échappement (chauffage, production de vapeur…) que le rendement global de la machine peut dépasser 50 %. On utilise alors la chaleur des gaz d'échappement (plus de 500 degrés) pour produire de la vapeur dans une chaudière. Une autre possibilité d'augmenter le rendement de la turbine est de réchauffer les gaz en sortie des étages de compression (avant les chambres de combustion) en les faisant passer dans un échangeur situé dans le flux des gaz d'échappement.On arrive ainsi à se rapprocher des rendements d'un moteur diesel semi-rapide. C'est par exemple le principe de fonctionnement de la turbine WR21 de Rolls-Royce.

La vapeur produite est ensuite utilisée de deux manières :

• la centrale à cycle combiné où une turbine à vapeur complète la turbine à gaz pour actionner un alternateur, le rendement global atteint alors 55 % voire 61 % (en 2012) dans les dernières centrales à l'étude.
• la cogénération où la vapeur produite est utilisée dans un autre domaine (papeterie…)

On fabrique des turbines à gaz de puissance unitaire allant de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts.

Pollution

Des efforts importants ont été entrepris par les constructeurs pour limiter la pollution de l'air par les turbines à gaz, en particulier en réduisant les rejets d'oxyde d'azote (NO_x). L'utilisation de gaz naturel (contenant généralement peu de soufre) ou de combustible liquide sans soufre permet une émission faible de dioxyde de soufre (SO₂) ; des chambres de combustion particulières avec des injecteurs spécifiques permettent une émission faible de monoxyde de carbone (CO). Les modèles peu polluants sont surtout installés par les pays développés tandis que les turbines à gaz de conception moins sophistiquée et de prix (installation et maintenance) moins élevé sont préférées par les pays en voie de développement.

Applications

La turbine à gaz contribue dans une large mesure aux motorisations actuelles. Leur avantage de légèreté en impose l’usage dans l’aéronautique, tandis que dans le domaine des fortes puissances (production d’électricité) elles se démarquent par leur adaptation à des cycles combinés ou de cogénération très performants. Les moteurs à explosion eux ont leur puissance limitée à environ 10 MW pour des raisons de masse et d’encombrement.

Réalisation pratique

La phase de compression est réalisée par un compresseur d’air axial ou centrifuge. Le travail de compression peut être réduit par pulvérisation d’eau à l’admission. L’air comprimé est réparti en trois flux :

• une alimentation stœchiométrique vers le brûleur alimenté en carburant gazeux ou liquide ;
• un flux refroidissant la paroi de la chambre de combustion et mélangé aux produits de combustion du brûleur ;
• un flux destiné au refroidissement des différents étages de la turbine (stator et/ou rotor).

Contrairement au moteur à piston, la combustion d'une turbine a gaz est continue et il faut donc limiter la température à une valeur acceptable pour les matériaux par un large excès d’air 1 300 °C en nominal avec 2 000 °C en courte pointe). Ceci est très pénalisant pour le rendement qui est maximum vers 4 500 °C (le même problème existe pour les moteurs à pistons).

Il existe des machines utilisant une injection de vapeur dans les produits de combustion à l'entrée de la turbine pour augmenter le débit et donc la puissance de celle-ci. La vapeur est produite par une chaudière de récupération chauffée par l’échappement. Il s’agit en fait d’un cycle combiné simplifié. L'injection de vapeur permet également de limiter la teneur en oxydes d'azote (Nox) à l'échappement.

La turbine généralement de type axial comprend un ou plusieurs étages de détente. Contrairement aux turbines à vapeur, il s’agit toujours de turbines à réaction. Deux grands types de turbines à gaz sont à distinguer :

• simple arbre : le compresseur et l’ensemble des étages de détente sont regroupés sur le même arbre entrainant également l’organe récepteur ;
• double arbre : le compresseur est sur le même arbre que les étages de turbine strictement nécessaires à son entraînement, les autres étages de turbine étant groupés sur un second arbre solidaire de la machine entrainée.

La seconde disposition plus complexe permet un meilleur fonctionnement à charge partielle et variable ce qui est le cas des moteurs destinés à la propulsion ou à l'entraînement de pompes ou de compresseurs (oléoducs ou gazoducs). Les turbines à simple arbre sont adaptées à la production électrique qui se fait à régime constant et charge plus élevée.

La réalisation de la turbine et notamment le premier étage, situé derrière le système de combustion, pose des problèmes métallurgiques liés à la température élevée et aux contraintes dues à la détente et à la force centrifuge s’exerçant sur les aubages mobiles. Elle nécessite l’emploi d’aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) et un refroidissement énergique par de l’air de charge prélevé sur le compresseur. L’utilisation de matériaux céramiques et de monocristaux permettent d'augmenter la température depuis les années 2010.

Limites techniques et avantages

Bien que théoriquement supérieure au moteur Diesel, la turbine à gaz présente de sévères limitations dues aux contraintes techniques de sa réalisation. Ces principales limites sont les suivantes :

• taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre d’étages de compression nécessaires, mais les machines « heavy duty » récentes dépassent maintenant un taux de compression de 19 ;
• baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à une vitesse de rotation plus faible que la vitesse nominale ;
• baisse progressive de la puissance disponible lorsque la température de l'air extérieur augmente. On estime que la puissance diminue de 1 % pour chaque degré d'élévation ; ceci est dû à la diminution du débit massique de l'air ambiant quand sa température augmente ;
• température de combustion (et donc rendement) limitée par la résistance mécanique des aubages fixes et mobiles de la turbine ;
• chute importante du rendement à charge partielle en particulier pour les machines à simple arbre ;
• coût d’usinage des aubages notamment de la turbine ;
• encombrement important des filtres d'aspiration d'air. Cet inconvénient est particulièrement pénalisant à bord des navires ;
• la plupart des turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairement au moteur Diesel ; elles utilisent alors du gaz naturel, du biogaz ou du gazole, voire du kérozène. Toutefois, les turbines à gaz heavy duty peuvent brûler du fioul lourd, voire du pétrole brut (crude oil) ; ceci peut nécessiter le réchauffage du combustible afin d'en diminuer la viscosité pour permettre sa pulvérisation correcte dans les injecteurs ; certains fiouls lourds nécessitent l'injection d'inhibiteur pour réduire les effets néfastes du vanadium contenu naturellement dans le pétrole brut de beaucoup de gisements.

Les avantages inhérents à ce type de machine sont les suivants :

• puissance massique et volumique très élevée ;
• possibilité de démarrage, prise et variation de charge 0 à 100 % très rapidement ; à titre d'exemple, une machine « heavy duty » de 200 MW installée en France dans les années 1990 dans la région parisienne peut arriver à vitesse nominale 6 minutes après l'ordre de démarrage, fournir les premiers 100 MW en quelques secondes, et les 100 MW restants en 6 minutes ;
• simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et équilibrage (peu de vibrations) ;
• pollution limitée en HC, CO et NOx du fait du contrôle de l'excès d’air et de la température limitée ;
• aptitude à la récupération de chaleur (cogénération) ;
• coûts de maintenance inférieurs aux moteurs pistons ;
• longévité en marche stationnaire ;
• aptitude potentielle à utiliser des combustibles liquides ou gazeux variés et de moindre qualité (gaz pauvre) ;
• meilleure aptitude aux arrêts et démarrages fréquents que les turbines à vapeur ;
• peu de génie civil nécessaire pour sa mise en œuvre, et facilité de transport en colis standardisés pour les machines de puissance unitaire inférieure à 100 MW.
• facilité de standardiser les composants « nobles » (aubages fixes et mobiles), ce qui permet de construire les machines en avance sans connaître les conditions finales d'utilisation sur site ;
• possibilité d'entraîner des machines (pompes ou compresseurs) à vitesse variable sans grande perte de rendement pour les machines « deux arbres », ce qui permet l'utilisation dans les lignes d'oléoducs ou de gazoducs.

Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique en particulier sur les avions (turboréacteurs et turbopropulseurs) et les hélicoptères. La propulsion navale fait également appel aux turbines à gaz notamment pour les navires à grande vitesse (ferry rapide, frégates, porte-aéronefs). Il existe enfin des exemples d’applications à la propulsion ferroviaire comme les « turbotrains » (ETG et la RTG) de la SNCF (utilisés entre 1972 et 2004 en France) et à des véhicules militaires comme des chars d’assaut (XM-1 Abrams ou T80).

Par contre, la turbine à gaz est mal adaptée aux véhicules routiers. En effet, les variations de charge et de régime sont trop importantes et trop rapides pour être réalisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30 % pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dépassent 40 %. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’intérêt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, où l’installation des échangeurs (notamment récupérateur sur échappement) est moins problématique.

L’autre grand domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il s’agit d’applications à vitesse de rotation constante et soit à charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur pour les machines utilisées en régime dit « de base », soit au contraire à charge très variable pour les machines utilisées en secours de réseaux et pour lesquelles la sécurité du réseau est plus importante que le rendement. La puissance varie de quelques centaines de kW à plus de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des cycles combinés, ce qui fait que le rendement global de la centrale dépasse actuellement (en 2011) 61 %, avec une aptitude à prendre en compte les variations rapides de puissance instantanée des machines éoliennes (par exemple en cas de variation brutale du vent) ou des parcs photovoltaïques (par exemple en cas de passage de nuages). En cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 à 35 % voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est même inférieur à 30 % mais on met alors à profit l’aptitude des turbines à combustion pour la récupération de chaleur dans des applications de cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur) ou de cycle combiné (production de vapeur qui entraine une turbine à vapeur faisant elle aussi tourner l'alternateur).

Turbocompresseur

Le terme turbocompresseur (appelé couramment « turbo » dans le domaine automobile) a deux significations :

1. un compresseur d'air à aube (centrifuge en général) entraîné par une turbine (à gaz en général) ;
2. une turbine actionnée par les gaz d'échappement qui entraine sur son axe un compresseur d'air d'admission d'un moteur à combustion interne comme un moteur à piston.

Le turbo désigne donc l'ensemble d'une TURBINE actionnée par les gaz d’échappement d’un moteur à pistons et dont le travail sert à entrainer sur son axe un COMPRESSEUR "centrifuge" qui va comprimer l’air d'admission du moteur. Ce dispositif représente une amélioration importante du moteur classique notamment sur les points suivants :

• augmentation de la puissance massique et du rendement, par une puissance supérieure à volume de cylindrée égale et à consommation égale. Afin de maximiser cet effet, il est nécessaire de refroidir l’air comprimé par un échangeur de type air/air ou air/eau (un intercooler en anglais) pour rendre à l'air d'admission sa densité "son volume massique" et donc son efficacité en tant que comburant gazeux additionné d'un brouillard de gazole injecté.
• suppression de l’inconvénient de la détente écourtée des cycles Otto et Diesel d’où amélioration de rendement. L’amélioration du rendement est très limitée sur les moteurs à essence car les risques d’auto-inflammation prématurée (et non plus commandée par le boitier électronique de gestion de l'allumage des bougies et d'injection du carburant) du mélange comprimé carburant/comburant (cliquetis) imposent de réduire sensiblement le taux de compression du moteur proprement dit pour éviter une surchauffe des pistons, d’où une perte de rendement.

Le moteur turbocompressé combine donc un moteur à pistons et une mini turbine à vapeur (ici les gaz inertes d'échappement remplacent la vapeur sous pression pour entrainer la turbine) qui entraine elle-même sur son axe un mini compresseur d'air centrifuge pour alimenter le moteur. Donc ceci induit un apport supplémentaire de gaz (air) d'admission sans utiliser une quelconque énergie au moteur lui-même. L'énergie utile pour faire fonctionner ce couple turbine-compresseur ou turbocompresseur est prélevée à la sortie des gaz d'échappement (perdus sur un moteur sans turbocompresseur). D'où la réduction du bruit à la sortie du tube d'échappement car l'énergie, la pression de ces gaz (perdus) a été absorbée et utilisée par le turbocompresseur.

L'adoption d'une turbine à gaz comme compresseur d'air d'admission apporte encore un surplus de puissance mais consomme beaucoup de carburant et réduit le rendement de l'ensemble.
Sur le char Leclerc, un char d'assaut français, une turbine d'hélicoptère tourne en parallèle pour envoyer de l'air d'admission comprimé en grande quantité dans le moteur à pistons. Seulement elle est autonome et fonctionne par elle-même, et non plus grâce à la force (perdue) des gaz d'échappement. Même si ceux-ci sont réinjectés dans la turbine pour améliorer le processus et donc le rendement global. La turbine trouve son énergie de fonctionnement avec le même carburant que le moteur à piston du char : du gazole (en aéronautique, le kérosène utilisé comme carburant dans les turboréacteurs et les turbines à gaz (turbopropulseurs à hélices et hélicoptères) ressemble à du gazole, si ce n'est une différence de raffinage pour lui apporter entre autres une meilleur résistance aux températures extrêmement basses rencontrées en haute altitude, le carburant ne devant pas se figer dans les réservoirs pendant le vol).
Le carburant commun alimente donc la turbine à gaz (par injection de brouillard de gazole préchauffé ...) et le moteur à pistons qui double ainsi sa puissance effective.

Le problème majeur du turbocompresseur est le même que les autres turbines à gaz, à savoir la gestion de la marche à faible charge ou en régime transitoire. Il est en grande partie résolu grâce aux turbocompresseurs dits « à géométrie variable » munis d’aubages fixes sur les roues mais à géométrie variable dans les couloirs d'écoulement. Ce qui apporte la possibilité de faire varier le flux de sortie en fonction du flux variable généré par la vitesse de rotation variable de la roue du compresseur (qui est faible à bas régime moteur). En d'autres termes, c'est comme si vous pinciez le bout d'un tuyau d'eau : le jet d'eau serait plus fort et plus vif alors que le flux d'eau dans le tuyau resterait le même (faible).

Propulsion

C'est grâce à leur puissance massique et puissance volumique élevées que de petites turbines sont utilisées pour motoriser les hélicoptères et voitures. Des trains (Turbotrain) RTG et ETG, mais aussi des chars d'assaut, des navires… sont propulsés par des turbines à gaz de puissance moyenne. Les turboréacteurs et les turbopropulseurs sont des turbines à gaz utilisées en aéronautique pour propulser des aéronefs modernes et rapides.

Moteur

Les industries pétrolière et gazière utilisent des turbines à gaz pour entraîner des pompes pour les pipelines et des compresseurs pour les gazoducs.

Production d'électricité

La turbine à gaz de grande puissance (> 1 MW) est surtout utilisée pour entraîner un alternateur et produire de l'électricité. Les infrastructures et le génie civil nécessaires pour une centrale électrique équipée de turbines à gaz sont réduits, ce qui permet d'installer en quelques mois une centrale tout près du lieu d'utilisation de l'électricité (ville, usine) ou de la source de combustible (port, forage, raffinerie…). Turbine et alternateur sont acheminés sous formes de modules compacts et complets qu'il suffit d'assembler et de raccorder aux réseaux dans des climats où la température extérieure peut aller de -40 à +50 °C. Un des avantages des centrales à turbine à gaz est le temps réduit pour le démarrage et la production d'énergie ; le gestionnaire d'un réseau de distribution électrique peut ainsi moduler facilement la capacité de production pour s'adapter aux variations de la consommation, ou pour s'adapter à la variation de production d'installations solaires (nuages) ou d'éoliennes (chute du vent).

L'installation d'un groupe électrogène à turbine à gaz peut s'accompagner d'une installation en cogénération, afin de récupérer les quantités importantes d'énergie (environ 50 à 65 % de l'énergie consommée) contenues dans les gaz d'échappement. La principale application de ce type consiste à injecter ces gaz, éventuellement après passage dans un tunnel de post-combustion, dans une chaudière de récupération, avec production d'eau chaude ou de vapeur.

Voir aussi

Articles connexes

• Turbine
• Turbomoteur
• Turbopropulseur
• Turbotrain
• Fiat Turbina

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