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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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Calcul préliminaire d’une turbine centripète
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1. Écoulements dans la volute
Dans les petites turbines centripètes, l’ensemble constitué par ce que l’on désigne habituellement par « volute » est responsable d’environ la moitié de la dégradation énergétique et ceci indépendamment des pertes thermiques. Il faut donc être en mesure d’analyser la puissance dissipée par le fluide dans cette partie mal connue de la turbine. L’étude cinématique du gaz dans la volute est indispensable pour connaître, avec une bonne approximation, les composantes de la vitesse.
Par exemple, le théorème d’Euler (paragraphe 4.2 Turbines centripètes- Principes de base) nous montre qu’il faut connaître le vecteur vitesse à l’entrée de la roue pour déterminer la puissance fournie par la turbine.
La détermination analytique des composantes du vecteur vitesse dans la volute n’est pas simple et les calculs correspondants ne seront pas développés ici [6]Turbomachines, thermodynamique de la conversion d’énergie.. Malgré tout, on rappellera sommairement une méthodologie utilisée pour les obtenir.
1.1 Composante tangentielle Vu
Pour obtenir la composante tangentielle V u de la vitesse
, on travaille avec la relation [8] de ...
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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).
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(2) - DESCOMBES (G.) - Contribution à l’étude des performances d’une petite turbine de suralimentation à géométrie variable. - Thèse Paris 6 (1997).
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(3) - DUAN (Q.) - Contribution à l’étude des caractéristiques d’une petite turbine de suralimentation. - Thèse Paris 6 (1991).
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(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.
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(6) - FRELIN (M.) - Prévision...
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