Turbines à gaz aéronautiques et terrestres

1. Rappels théoriques

1.1 Formules générales

1.2 Nombres de Mach et grandeurs d’arrêt ou totales dans un gaz parfait

1.3 Fonction de débit

1.4 Travaux et rendements de compression

1.5 Travaux et rendements de détente

1.6 Efficacités diverses

1.7 Propriétés thermodynamiques de l’air et des gaz de combustion

1.8 Variables réduites

1.9 Lois d’échelle

2. Configurations de base

3. Turbomoteurs

3.1 Différents types de turbomoteurs

3.1.1 Architectures

3.1.2 Utilisations

3.2 Comparaison entre les turbomoteurs et les moteurs alternatifs

3.3 Principaux types de cycles thermodynamiques

3.4 Caractérisation des organes

3.4.1 Entrée d’air

3.4.2 Compresseurs

3.4.3 Chambre de combustion

3.4.4 Turbines

3.4.5 Échangeur de chaleur

3.4.6 Tuyère d’échappement

3.5 Caractérisation des performances d’un turbomoteur

3.5.1 Turbine liée

3.5.2 Turbine libre

3.5.3 Turbine à échangeur de chaleur

3.5.4 Turbomoteur à cycle fermé

3.6 Fonctionnement hors adaptation

3.6.1 Diagrammes du compresseur et de la turbine

3.6.2 Fonctionnement d’une turbine liée

3.6.3 Fonctionnement d’une turbine libre

3.6.4 Fonctionnement d’un turbomoteur à cycle fermé

3.6.5 Dossier performances

3.7 Éléments de choix d’un turbomoteur

3.7.1 Applications aéronautiques

3.7.2 Applications terrestres

3.7.3 Groupes Auxiliaires de puissance (GAP)

es turbines à gaz font partie de la catégorie des TURBOMACHINES définies par Rateau comme étant des appareils dans lesquels a lieu un échange d’énergie entre un rotor tournant autour d’un axe à vitesse constante et un fluide en écoulement permanent.

Selon le type de fluide utilisé, dit fluide actif ou fluide moteur, on a affaire à une turbine hydraulique, une turbine à vapeur ou une turbine à gaz. Dans ce dernier cas, le fluide moteur le plus fréquemment utilisé provient des gaz de combustion d’un combustible solide, liquide ou gazeux.

Selon le type d’énergie délivrée, les turbines à gaz se répartissent en deux classes : d’une part, les turbomoteurs fournissant de l’énergie mécanique disponible sur un arbre et, d’autre part, les turboréacteurs fournissant de l’énergie cinétique utilisable pour la propulsion.

Dans cet article, on se limitera aux machines de faibles et moyennes puissances unitaires (de l’ordre de 200 à 20 000 kW), puissances qui constituent le domaine privilégié de la turbine à gaz. On n’étudiera donc pas les cycles combinés entre turbine à gaz et cycles à vapeur réservés aux grandes installations de production d’énergie électrique. Il en sera de même pour les machines mixtes essayant de combiner moteurs à piston et turbines à gaz (générateurs Pescara, dits à pistons libres, procédé Hyperbar concernant la haute suralimentation des moteurs diesel, etc.) et pour le turbocompresseur de suralimentation des moteurs alternatifs. Pour tous ces sujets, on se reportera utilement aux articles spécialisés dans ce traité. On abordera toutefois l’étude des turbines à cycle fermé, mais sans s’étendre sur les applications qui relèvent principalement des domaines très spéciaux de l’énergie nucléaire et de l’industrie de l’espace.

C’est dans l’aéronautique que la turbine à gaz s’est imposée en priorité. Les turboréacteurs sont utilisés de façon quasi universelle pour la propulsion des appareils à voilure fixe : avions et missiles. Seule l’aviation générale (tourisme, affaires) utilise encore les moteurs alternatifs mais leur domaine est sans cesse grignoté par la turbine à gaz. Pour les voilures tournantes, de façon similaire, les turbomoteurs équipent aussi la quasi-totalité des différents types d’hélicoptères.

Parmi les utilisations non aéronautiques, très diversifiées, on peut citer :