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Auteur(s)
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Michel VINCENT DE PAUL : Ingénieur de l’École centrale de Paris - Chef du département Recherches grandes turbines à vapeur de GEC-ALSTHOM
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Lire l’articleINTRODUCTION
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.
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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 :
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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 ;
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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.
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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.
l’article « Turbines à fluide compressible » fait l’objet de plusieurs fascicules :
BM 4 560 Conception et fonctionnement
BM 4 561 Pertes et moyens de les réduire
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter à l’autre fascicule. Le numéro de fascicule est suivi du numéro de paragraphe ou de figure.
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Turbines axiales : conception et fonctionnement
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1. Généralités et rappels
1.1 Rappel des équations
On rappelle les équations de l’écoulement supposé stationnaire, sous leur forme la plus simple, c’est-à-dire monodimensionnelle, pour préciser les notations et les hypothèses.
a) Conservation du débit-masse Qm d’un fluide de masse volumique ρ qui passe au travers d’une surface S normale à l’écoulement :
La vitesse de l’écoulement V peut s’exprimer en fonction du nombre de Mach M et le débit prend alors la forme :
où
avec :
- r :
- constante des gaz (= cp – cV)
- γ :
- exposant isentropique (= cp /cV)
cp et cV étant les capacités thermiques massiques (ou chaleurs spécifiques suivant le terme couramment utilisé), respectivement à pression et volume constants ;
p* et T * sont les pression et température d’arrêt, c’est-à-dire les pression et température mesurées par une sonde fixe faisant face à l’écoulement, en supposant, pour la pression, que le ralentissement du fluide se fasse de façon isentropique.
b) Théorème des quantités de mouvement : il exprime que la résultante des forces extérieures à un volume limité par une surface S est égale à la variation du débit de quantité de mouvement à travers la surface :
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Généralités et rappels
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Dans les Techniques de l’Ingénieur
GIRAUD (M.) - SILET (J.) - Turbines à gaz aéronautiques et terrestres. - [B 4 410], Machines hydrauliques et thermiques (1992).
PLUVIOSE (M.) - PÉRILHON (C.) - Turbomachines. Description. Principes de base. - [BM 4 280], Machines hydrauliques et thermiques (2002).
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Autres références
GYARMATHY (G.) - SCHLACHTER (W.) - On the design limits of steam turbine last stages – Technology of turbine plant operating with wet steam. - BNES (1988).
WALLON (M.) - Dernière ailette BP : un facteur-clé dans le développement des turbines. - Revue Alsthom no 9, déc. 1987.
RIEE (W.) - BLÖCKER (U.) - NEFT (H.) - OTTO (H.G.) - The flow in last stages of large steam turbines at part load and low load – Technology of turbine plant operating with wet steam. - BNES (1988).
BESSAY (M.) - PLUVIOSE (M.) - Étude aérodynamique sur maquette d'un étage terminal de turbine à vapeur dans les régimes partiels de fonctionnement. - La Houille Blanche nos 2/3 (1982).
ISHIKAWA...
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