Turbines à fluide compressible - Conception et fonctionnement

Les turbines sont des machines qui transforment l’énergie d’un fluide en énergie mécanique de rotation disponible sur un arbre et permettant d’entraîner une autre machine, alternateur pour la production d’électricité, compresseur, etc.

• Le fluide peut être incompressible, c’est le cas des turbines hydrauliques, ou compressible avec les deux grandes familles : turbines à gaz et turbines à vapeur. Ces turbines à fluide compressible se distinguent essentiellement des turbines hydrauliques par deux aspects :

  • par l’origine de l’énergie du fluide moteur ; dans la turbine hydraulique, c’est la pesanteur ; pour les gaz, l’énergie liée à la pesanteur est négligeable ; l’origine de l’énergie est la pression et la température du fluide ; la chute d’enthalpie remplace la hauteur de la chute d’eau ;

  • la variation de la masse volumique, ce qui, lorsque la vitesse atteint la vitesse du son, peut entraîner des modifications importantes dans l’écoulement avec en particulier l’apparition d’ondes de choc.

• Cet article, bien que général, est plus orienté vers les turbines à vapeur, les aspects plus particulièrement liés aux turbines à gaz étant traités dans l’article « Turbines à gaz aéronautiques et terrestres ».

Après avoir expliqué le fonctionnement de ces turbines, notamment celui des turbines axiales plus simples à exposer, on insistera sur les pertes et les moyens de les réduire. Si les codes de calcul actuels, qui ne sont pas décrits ici, permettent de prévoir de plus en plus correctement l’écoulement, la détermination des pertes est encore assez imprécise du fait de la nécessité de maillages extrêmement fins, mais surtout de la modélisation encore imparfaite de la turbulence.

Aussi est-il nécessaire, ne serait-ce que pour « comprendre » les calculs, et pour éviter certaines erreurs, de connaître les phénomènes physiques qui régissent le fonctionnement de ces machines.