Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Le but du présent article est de décrire les différentes catégories de machines tournantes véhiculant un fluide, de présenter leurs principaux organes constitutifs, et d’exposer les particularités de leurs écoulements internes. Le fonctionnement de ces turbomachines est commenté en prenant comme exemples, une pompe centrifuge et une turbine axiale, ouvrant ainsi la voie vers des développements ultérieurs. Les principes de base de mécanique des fluides et de thermodynamique utilisés sont rappelés. Un exemple numérique est proposé, il permet de comprendre la démarche utilisée tout en précisant les ordres de grandeur et les unités.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel PLUVIOSE : Professeur honoraire du CNAM, Paris, France
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Christelle PÉRILHON : Maître de conférences Chaire de turbomachines du CNAM, Paris, France
INTRODUCTION
Tout processus énergétique consiste à établir des transferts de travail et de chaleur dans des appareils appropriés.
Dans les machines volumétriques, objets de différents articles de ce traité, cet échange d’énergie a lieu par déformations de capacités à l’intérieur desquelles le fluide est provisoirement emprisonné. Dans les turbomachines, les écoulements sont supposés permanents en première approximation, ce qui n’est pas le cas pour les machines volumétriques.
Les turbomachines — pompes, ventilateurs, compresseurs et turbines —, qui entraînent des débits de fluide plus grands que les machines volumétriques, jouent dans ces conversions d’énergie un rôle important d’échangeur de travail entre le fluide évoluant d’une part et un organe mécanique d’autre part. Ce dernier possède une partie en mouvement constituée d’un rotor muni d’ailettes. Par exemple, une turbine est un dispositif permettant d’extraire du travail sur un fluide lorsqu’il se détend depuis une haute pression jusqu’à une pression plus faible.
Les turbomachines de compression et de détente sont des machines dans lesquelles un fluide subit une transformation lors de son écoulement, en partie le long de conduits fixes formant le stator de la machine, et en partie le long de conduits mobiles appartenant au rotor, organe recevant ou transmettant la puissance mécanique selon le cas. Ces conduits offerts au fluide sont munis d’aubes. Dans une turbine, le rotor ou arbre d’entraînement transmet la puissance mécanique à un appareil récepteur qui peut être un alternateur, une pompe, un compresseur, etc. lequel utilise cette puissance à ses propres fins.
L’objectif de cet article est de présenter tout d’abord les différentes familles de turbomachines, leurs constituants, ainsi que les écoulements en leur sein. Dans un second temps, on rappelle les principes de base nécessaires à leur étude et à la compréhension de leur fonctionnement.
Cet article constitue le premier d’une série consacrée aux turbomachines [BM 4 281] [BM 4 282] [BM 4 283].
Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d’article.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 2002 par Michel PLUVIOSE, Christelle PÉRILHON
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Conclusion
Les turbomachines sont évidemment soumises au principe de conservation de l’énergie limité à la mécanique pour celles véhiculant un fluide incompressible, et aux principes plus englobants de la thermodynamique pour celles dont le fluide de travail est compressible.
Les deux principes de thermodynamique qui régissent leur fonctionnement peuvent s’énoncer de cette manière : l’énergie se conserve mais se dégrade.
L’énergie est toujours conservée lorsqu’elle change de forme. Ainsi, les aubages d’un compresseur reçoivent une certaine énergie mécanique par l’arbre d’entraînement et transfèrent cette même quan-tité d’énergie au fluide gazeux exporté, sous diverses formes et évidemment d’abord sous forme de pression.
Pour limiter la taille des machines, on fait circuler le fluide à une vitesse importante, laquelle génère des pertes sous différentes formes : l’énergie se dégrade, ce qui entraîne une pression à l’échappement de cette turbomachine de compression plus faible que celle espérée par un calcul idéal.
Il est donc nécessaire de connaître au mieux les écoulements internes aux turbomachines dans toute leur gamme de fonctionnement, afin de réduire autant que faire se peut les pertes de toutes sortes. En améliorant ainsi leur rendement, on limite la consommation d’énergie mécanique nécessaire à leur fonctionnement.
Par ailleurs, ces turbomachines sont souvent couplées pour former des cycles thermodynamiques (turbines à vapeur des centrales thermiques classiques, des centrales nucléaires ou solaires ; turbines à gaz industrielles ; réacteurs aéronautiques etc.). Elles constituent les éléments de base de ces installa-tions énergétiques. Or, le rendement des turbomachines influence considérablement le rendement du cycle complet, ce qui décuple les efforts de recherche à entreprendre pour améliorer leur fonction-nement, aussi bien au point nominal qu’aux charges partielles.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SEDILLE (M.) - Turbomachines hydrauliques et thermiques – tome 2 – Pompes centrifuges et axiales, turbines hydrauliques. - Masson (1967).
-
(2) - SEDILLE (M.) - Turbomachines hydrauliques et thermiques – tome 3 – Thermodynamique technique. - Masson (1969).
-
(3) - SEDILLE (M.) - Turbomachines hydrauliques et thermiques – tome 4 – Mécanique des fluides compressibles. - Masson (1970).
-
(4) - SEDILLE (M.) - Ventilateurs et compresseurs centrifuges et axiaux – tome 1 – Aérodynamique générale, calcul et fonctionnement. - Eyrolles, Masson (1973).
-
(5) - FRIBERG (J.) - Approche théorique et calcul pratique des diffuseurs. - LAJF Éditeur, Palaiseau (1996).
-
(6) - DIXON (S.L.), HALL (C.A.) - Fluid mechanics...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Se référer à l’article TI [BM 4 225]
HAUT DE PAGE
PROFLUID : association française des pompes et agitateurs, des compresseurs et de la robinetterie http://www.profluid.org
FIM Énergétique : association syndicale des équipements énergétiques http://www.fim-energetique.fr
Uniclima : syndicat des industries thermiques, aérauliques et frigorifiques http://www.uniclima.fr
Cetiat : centre technique des industries aérauliques et thermiques http://www.cetiat.fr
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Pour fixer les ordres de grandeur et résumer quantitativement ce chapitre, on peut proposer, pour l’ensemble des compresseurs, la classification approchée pression-débit de la figure 1.
Le tableau 1 résume, pour les machines et turbomachines, les différents cas généraux rencontrés. La décomposition en machine radiale ou axiale pourrait être également rajoutée.
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