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RÉSUMÉ
Le point faible d’une turbine, thermodynamiquement parlant, reste à coup sûr la volute, responsable de plus de la moitié de la dégradation énergétique de cette machine. Par une approche unidimensionnelle de l’écoulement dans la volute, cet article commence par exprimer l’expression des composantes de la vitesse à l’entrée de la roue. Sur la base d’hypothèses simples, une méthode rapide permet d’ébaucher une géométrie de la turbine, puis sa modélisation et l’accès à ses caractéristiques.
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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
Dans le projet d’une turbine, le point le plus délicat est celui de la volute qui est responsable de plus de la moitié de la dégradation énergétique totale et ceci sans tenir compte des transferts de chaleur qu’elle occasionne. Une approche unidimensionnelle de l’écoulement dans la volute a été détaillée afin d’obtenir l’expression des composantes de la vitesse à l’entrée de la roue.
L’écoulement dans la volute n’est pas adiabatique et il est proposé une loi de similitude pour l’ensemble de la turbine. Ces nombres adimensionnels présentent pour l’ingénieur une méthode facile et approchée pour transposer des résultats dans des conditions différentes d’essais et de fonctionnement.
En utilisant des hypothèses simplificatrices il est présenté un calcul rapide, suivi d’une application numérique, visant à satisfaire un point nominal de fonctionnement. Les résultats obtenus permettent d’ébaucher une géométrie de la machine et de s’assurer ainsi de la faisabilité d’utiliser une turbine centripète. En partant de sa géométrie une modélisation unidimensionnelle de l’ensemble turbine est développée afin de prévoir ses courbes caractéristiques.
Un tableau des notations et symboles est situé dans la première partie Turbines centripètes- Principes de base.
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Écoulements dans la volute
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4. Approche unidimensionnelle de l’ensemble turbine
Le principal but de la modélisation d’une turbine centripète est de prédire ses courbes caractéristiques à partir de sa géométrie. Pour cela, on se place dans le cas idéal où les gaz sont parfaits, et où les évolutions sont adiabatiques avec absence d’effets instationnaires. Les variables adimensionnelles permettront ensuite de transposer les résultats obtenus dans un fonctionnement plus proche de la réalité.
4.1 Modélisation des pertes
Pour modéliser l’ensemble de la turbine il faut, au préalable, exprimer les différentes pertes d’énergie le long du parcours du fluide en fonction des grandeurs d’états. Pour évaluer et analyser ces diverses irréversibilités, on distingue les dissipations internes des pertes mécaniques.
Les dissipations internes correspondent à la dégradation de l’énergie au sein de l’écoulement comme par exemple les défauts d’incidence, l’hétérogénéité des vitesses et surtout le débit de fuite et les frottements.
En ce qui concerne les frottements, on différencie :
-
les pertes liées au frottement local donc au développement de la couche limite sur les parois ;
-
les pertes singulières consécutives aux rétrécissements et élargissements brusques que l’on rencontre à l’entrée et à la sortie des turbines.
La puissance dissipée
à l’entrée de la volute d’une turbine centripète de suralimentation est essentiellement due à la présence du canal conduisant à la soupape de décharge.
Pour apprécier le travail massique dégradé on peut considérer le rétrécissement brusque de la section d’entrée A E à la section d’entrée volute A 1 conformément à la figure 7.
En désignant par k 1 le coefficient de contraction, cette perte d’énergie est alors :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BORNEMISZA (T.), NAPIER (J.) - Comparison of Ceramic Vs. Advanced Superalloy Options for a Small Gas Turbine Technology Demonstrator. - ASME Congress Amsterdam (1988).
-
(2) - DESCOMBES (G.) - Contribution à l’étude des performances d’une petite turbine de suralimentation à géométrie variable. - Thèse Paris 6 (1997).
-
(3) - DUAN (Q.) - Contribution à l’étude des caractéristiques d’une petite turbine de suralimentation. - Thèse Paris 6 (1991).
-
(4) - FEVRE (S.) - Application de la vélocimétrie Laser Doppler à des mesures de vitesses dans une petite turbine de suralimentation. - Thèse Paris 6 (1990).
-
(5) - FRELIN (M.) - Caractéristiques des fluides. - Techniques de l’Ingénieur Caractéristiques des fluides.
-
(6) - FRELIN (M.) - Prévision...
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