Tout savoir sur les turbines à gaz : fonctionnement et types

Turbines à gaz

Les turbines à gaz sont des moteurs rotatifs à combustion interne. Le fluide de travail subit des transformations de compression, de combustion et d'expansion. L'expansion du fluide a lieu entre les pales d'une turbine, générant de l'énergie mécanique.

Applications des turbines à gaz

Les applications des turbines à gaz peuvent être classées en deux catégories :

• Industriel
• Aéronautique

Les turbines industrielles sont utilisées dans des installations fixes et mobiles. Parmi leurs principales utilisations, on trouve :

• La production d'électricité par des générateurs ;
• L'entraînement de gros compresseurs et de pompes à pression ;
• La propulsion de navires.

Elles sont également utilisées en combinaison avec d'autres systèmes thermo-mécaniques pour la récupération de chaleur des gaz d'échappement.

Les turbines aéronautiques s'appliquent aux turbopropulseurs, turboréacteurs (ou double flux) et turbomoteurs.

• Dans les avions à turbopropulseurs, les turbomoteurs et les centrales électriques auxiliaires, la majeure partie de l'énergie produite par la combustion est convertie en énergie mécanique dans le rotor de la turbine.
• Dans le turboréacteur, l'énergie mécanique produite par la turbine sert uniquement à entraîner le compresseur ; le reste de l'énergie est expulsé pour produire une poussée par réaction.
• Dans le turboréacteur à double flux, une proportion importante d'énergie est utilisée par l'arbre pour entraîner le compresseur et le ventilateur, tandis que le reste provient de l'échappement pour produire la poussée.

Classification des turbines à gaz

• Turbines à pression constante : composées d'un compresseur, d'une chambre de combustion et d'une turbine ouverte. Elles suivent le cycle de Brayton.
• Turbines à volume constant (ou à explosion) : composées d'un compresseur, d'une chambre de combustion à vannes et d'une turbine fermée. Elles suivent le cycle Otto.

Dans la turbine à pression constante, l'air atmosphérique pénètre dans le compresseur et en ressort à une pression supérieure pour entrer dans la chambre. Le carburant est injecté en continu et la combustion se produit à pression constante. Le début de la combustion est commandé électriquement par un allumeur, puis se poursuit tant que le combustible est fourni. La forte augmentation de la pression et de la température des gaz entraîne la turbine.

L'expansion des gaz de combustion s'effectue jusqu'à la pression atmosphérique à travers le rotor. Le travail utile est d'abord absorbé par l'arbre pour déplacer le compresseur. Le reste est soit absorbé par l'arbre (turbines industrielles, turbopropulseurs), soit utilisé comme jet d'énergie (turboréacteur).

La turbine à volume constant se distingue par une combustion ayant lieu dans une chambre fermée avec admission et échappement. La puissance est intermittente et les gaz sortent par impulsions. Cette configuration était utilisée aux premiers stades du développement des turbines, car les matériaux de l'époque ne permettaient pas d'atteindre des performances acceptables en continu.