Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les turbomachines sont soumises aux lois générales de la thermodynamique. Dans ces machines, on transforme l’énergie d’une forme à une autre selon le premier principe de thermodynamique. Le second principe établit une dégradation d'énergie durant cette transformation, dégradation d'énergie qui s’effectue au niveau moléculaire par les effets de la viscosité principalement. Les frottements visqueux sont toujours présents lorsque des variations de vitesse existent dans un écoulement ; ils affectent les performances des installations. Cet article analyse les diverses pertes et leur influence sur le rendement des turbomachines.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel PLUVIOSE : Professeur honoraire du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) - Paris, France
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Christelle PÉRILHON : Maître de conférences – HDR – Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) - Laboratoire Dynfluid, Chaire d’énergétique, turbomachines - Paris, France
INTRODUCTION
Comme dans tout écoulement de fluide réel, l’écoulement dans une turbomachine est le siège d’irréversibilités dues au travail des forces de frottement. Ces pertes affectent non seulement les couronnes d’aubages fixes et mobiles, mais aussi les conduits qui guident le fluide à l’entrée et à la sortie de l’appareil, ou bien encore qui relient deux étages successifs.
Par construction, il existe aussi des pertes par fuites, car il est nécessaire de conserver un jeu entre les parties fixes et mobiles. Ces pertes sont souvent délicates à quantifier, car les concepteurs doivent introduire des obstacles peu aérodynamiques destinés à en réduire le débit. De plus, ces débits de fuite interfèrent avec l’écoulement principal lorsqu’ils sont réintroduits dans la machine à l’endroit convenable.
La puissance réelle absorbée par une machine de compression est toujours supérieure à celle d’une machine parfaite, c’est-à-dire sans perte, qui fonctionnerait entre les mêmes niveaux de pression. Entre ces mêmes niveaux de pression, une machine de détente fournit une puissance plus faible que celle que l’on serait en droit d’attendre si la machine était parfaite.
Le but de cet article est de faire apparaître l’origine et la nature des pertes qui altèrent l’échange d’énergie dans une turbomachine. Il s’agit de pertes au sens mécanique, c’est-à-dire de dissipations d’énergie mécanique en chaleur.
On définit ensuite les rendements qui caractérisent l’importance des pertes sur les transferts énergétiques.
Une application concernant une turbine axiale conclut cet article ; elle récapitule les notions rappelées ou développées précédemment.
Cet article constitue le dernier volet d’une série consacrée aux turbomachines :
• [BM 4 280] – Turbomachines – Description et principes de base ;
• [BM 4 281] – Turbomachines – Mécanisme de la conversion d’énergie ;
• [BM 4 282] – Turbomachines – Thermodynamique de la conversion d’énergie ;
• [BM 4 283] – Turbomachines – Bilan énergétique et applications.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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- Version archivée 1 de avr. 2003 par Michel PLUVIOSE, Christelle PÉRILHON
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Application à l’étude d’une turbomachine de détente
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1. Pertes et bilan énergétique d’une turbomachine
1.1 Classification des pertes
On peut classer les pertes d’une turbomachine selon deux optiques différentes :
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si l’on considère leur nature physique, elles se subdivisent en :
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pertes aérodynamiques d’aubages (ou hydrauliques), qui ont pour cause essentielle la viscosité du fluide, et qui se manifestent principalement dans tout canal fixe ou mobile par un terme de perte de charge (§ 1.2.1) ;
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pertes par frottement de disque (§ 1.2.2) dues à la viscosité du fluide, qui sont aussi des pertes aérodynamiques agissant sur les surfaces inactives du rotor ;
-
pertes par fuites (ou volumétriques) (§ 1.2.3), dues à ce que de faibles fractions du fluide empruntent les passages étroits qu’il faut nécessairement ménager entre le rotor et le stator afin d’éviter des contacts mécaniquement dangereux. Ces fuites suivent de ce fait une évolution particulière. On analysera séparément celles qui traversent les garnitures d’étanchéité et celles qui se produisent aux extrémités libres des aubages mobiles ;
-
pertes mécaniques, qui correspondent à la puissance consommée par les organes (paliers, butée) dont le rôle est de maintenir le rotor en position, ainsi que par les auxiliaires de la machine (pompe à huile de graissage, variateur de vitesse, etc.) ;
-
-
si l’on s’intéresse à la destination de la quantité d’énergie dissipée, on est amené à identifier des :
-
pertes internes, lorsque cette énergie dégradée est recueillie par l’écoulement principal ;
-
pertes externes, lorsqu’elle échappe à ce dernier ;
-
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en combinant ces deux points de vue, on constate que :
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les pertes...
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Pertes et bilan énergétique d’une turbomachine
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRIBERG (J.) - Approche théorique et calcul pratique des diffuseurs. - LAJF Editeur, 17, rue J.-J. Rousseau, 91190 Palaiseau (1996).
-
(2) - PLUVIOSE (M.), PÉRILHON (C.), TOUSSAINT (M.) - Machines à fluides. - Principes – Fonctionnement, Éditions Ellipses (2010).
-
(3) - FRIBERG (J.), PLUVIOSE (M.) - Réduction des pertes de charge dans les circuits coudés. - Revue Française de Mécanique n° 1986-3.
-
(4) - SÉDILLE (M.) - Ventilateurs et compresseurs centrifuges et axiaux – tome 1 – Aérodynamique générale, calcul et fonctionnement. - Eyrolles, Masson (1973).
-
(5) - PLUVIOSE (M.) - Conversion d’énergie par turbomachines. - Éditions Ellipses (2010).
-
(6) - VAVRA...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Profluid : http://www.profluid.org/fr/
Association française des pompes et agitateurs, des compresseurs et de la robinetterie
HAUT DE PAGE2 Normes et standards – Réglementation
Normes AFNOR : https://www.boutique.afnor.org/norme/
NF EN 733 ((août 1995)), Pompes centrifuges à aspiration axiale PN10 à support sous corps de pompe – Point de fonctionnement nominal, dimensions principales, système de désignation.
NF EN ISO 5199 ((mai 2002)), Spécifications techniques pour pompes centrifuges – Classe II.
NF EN ISO 13709 ((février 2010)), Pompes centrifuges pour les industries du pétrole, de la pétrochimie et du gaz naturel.
NF EN 809/A1 ((décembre 2009)), Pompes et groupes motopompes pour liquides – Prescription communes de sécurité.
NF ISO 14661/A1 ((mars 2004)), Turbines thermiques pour applications...
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