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RÉSUMÉ
Cet article est consacré aux turbines centripètes fonctionnant avec des fluides compressibles, avec notamment leurs principes fondamentaux et les techniques utilisées. Après quelques généralités sur les turbomachines et l’historique ayant conduit à l’émergence des turbines centripètes, il décrit les différentes distributions possibles des turbines centripètes (à volute, à aubes à calage variable, à injection partielle). Sont ensuite présentées toutes les relations thermodynamiques utiles à ces turbomachines, puis les lois de la mécanique des fluides régissant leur fonctionnement.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Marcel FRELIN : Sous-directeur de Laboratoire honoraire au Conservatoire National des Arts et Métiers
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Michel TOUSSAINT : Ingénieur de recherches au Conservatoire National des Arts et Métiers
INTRODUCTION
Le développement des turbines centripètes, fonctionnant avec des fluides compressibles, est lié à la part importante prise, aujourd’hui, par la suralimentation des moteurs à combustion interne.
Ce dossier, composé de deux parties, [BM 4 570] et , a pour but de décrire le fonctionnement et l’étude générale de ces turbines centripètes. Après avoir précisé le fonctionnement et diverses techniques utilisées, il est rappelé, dans cette première partie, les principes fondamentaux des turbomachines, principes spécifiques et nécessaires à l’étude de ces petites turbines centripètes.
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Thermodynamique des turbines centripètes
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2. Utilisation des turbines centripètes
2.1 Description
On prendra l’exemple d’une petite turbine de turbocompresseur de suralimentation de moteur d’automobile pour décrire le fonctionnement d’une turbine centripète.
Conformément à la figure 4, une turbine centripète comporte, en suivant le sens de l’écoulement des gaz : une bride d’admission, une volute, un distributeur, une roue mobile en rotation, un diffuseur et une bride d’échappement.
Le rôle de la volute est d’accélérer et de transformer un écoulement quasiment rectiligne en un écoulement axisymétrique pour alimenter le plus correctement possible l’entrée du distributeur. D’un point de vue technologique, la volute est souvent réalisée en fonte réfractaire à graphite sphéroïdal.
Le distributeur se substitue à la volute pour continuer l’accélération du fluide. Dans les petites turbines, il est souvent lisse (sans aubages) et de dimension très limitée pour des raisons d’encombrement. Le distributeur peut posséder des aubages fixes ou à calage variable et être à géométrie variable. Dans le cas d’un distributeur à aubes, on ménage, malgré tout, un petit espace à l’amont de la roue pour éviter les vibrations dues à l’interaction aérodynamique rotor-stator. Les différentes techniques de géométrie variable du distributeur et de la volute sont décrites dans les paragraphes qui suivent.
Dans les applications aux moteurs d’automobiles Diesel ou essence, la roue est en alliage de nickel-chrome-molybdène afin de résister à l’oxydation à chaud et aux contraintes mécaniques et thermiques provoquées par des vitesses de rotation de 200 000 tr/min et par des températures pouvant atteindre 1 000 oC à l’entrée de la turbine. La roue est centripète ou hélicocentripète mais toujours ouverte afin de diminuer sa masse et son moment d’inertie. Elle doit être calculée pour qu’au point d’adaptation le fluide sorte axialement afin d’entrer convenablement dans le diffuseur dont la mission est de convertir l’énergie cinétique du fluide en énergie de pression.
Dans ces petites turbines de suralimentation, dont la régulation s’effectue par by-pass, la présence du conduit de retour de la soupape ou du clapet de décharge a un effet particulièrement néfaste sur les performances du diffuseur.
L’ensemble...
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