Du Air à l'Énergie : Comprendre le Moteur à Turbine à Gaz

Principe de fonctionnement de la turbine à gaz

Le compresseur, entraîné par la turbine, aspire continuellement de l'air de l'atmosphère et le comprime pour en augmenter la pression. L'air comprimé entre dans la chambre de combustion, se mélange avec le carburant injecté et brûle. Après être devenu un gaz de combustion à haute température, il s'écoule vers la turbine pour se dilater et effectuer du travail. Une fois le travail accompli, la pression du gaz de combustion diminue jusqu'à la pression atmosphérique et est rejetée dans l'atmosphère.

Ainsi, les trois principales parties d'une turbine à gaz sont le compresseur, la chambre de combustion et la turbine.

Un compresseur à flux axial possède de nombreuses pales, dont la forme ressemble à celle des pales d'un hélice, mais elles sont divisées en « pales mobiles » et « pales fixes ». Les pales mobiles tournent comme une hélice, poussant le flux d'air vers l'arrière lors de leur rotation. À ce moment-là, la pression du flux d'air augmente ainsi que sa température.

La fonction des lames fixes est de guider l'écoulement d'air rotatif généré par l'action des lames mobiles vers la direction axiale et de le faire entrer dans le prochain ensemble de rotors sous l'angle correct. Généralement, un ensemble de lames mobiles et un ensemble de lames fixes sont configurés alternativement, et un ensemble de lames mobiles et un ensemble de lames fixes forment ce qu'on appelle une étape.

De plus, il existe un compresseur radial. Il utilise la force centrifuge générée par la rotation de l'impeller pour pousser l'écoulement d'air vers l'extérieur, générant ainsi un effet de compression. Un compresseur radial à une seule étape peut avoir le rapport de compression de plusieurs étapes de compresseurs axiaux, ce qui en fait une bonne option pour les petites turbines à gaz.

La chambre de combustion transforme l'énergie chimique du carburant en énergie thermique, chauffant l'air à haute pression comprimé par le compresseur à une température élevée afin qu'il puisse être dilaté dans la turbine pour effectuer un travail. Le carburant peut être un carburant liquide (comme l'essence) ou un carburant gazeux (comme le gaz naturel).

À l'avant de l'enveloppe de la chambre de combustion se trouve l'entrée d'air menant au compresseur, et à l'arrière se trouve la sortie de gaz chaud menant à la turbine.

La fonction de la turbine est de convertir l'énergie contenue dans le gaz de combustion à haute température et haute pression en énergie mécanique.

Actuellement, la plupart des turbines à flux axial sont utilisées, caractérisées par une puissance élevée, un grand débit et une haute efficacité. La turbine centrifuge est une turbine à flux radial, principalement utilisée dans certains turboréacteurs de petite puissance.

Une turbine à gaz est une machine à moteur à combustion interne qui utilise un gaz en écoulement continu comme fluide de travail pour entraîner l'impeller à tourner à haute vitesse, transformant l'énergie du carburant en travail utile. C'est une machine thermique à impeller rotative.

Dans le processus principal de l'air et du gaz dans une turbine à gaz, il n'y a qu'un cycle de turbine à gaz composé de trois grands composants : un compresseur, une chambre de combustion et une turbine à gaz, ce qui est généralement appelé cycle simple. La plupart des turbines à gaz utilisent un schéma de cycle simple.

Le compresseur aspire de l'air depuis l'environnement atmosphérique extérieur et le comprime progressivement à travers un compresseur à flux axial pour augmenter la pression, et la température de l'air augmente également en conséquence ; l'air comprimé est ensuite injecté dans la chambre de combustion où il se mélange avec le carburant injecté pour brûler et produire un gaz à haute température et haute pression ; ensuite, il entre dans la turbine pour s'expanser et effectuer un travail, entraînant la turbine qui fait tourner le compresseur et le rotor de charge externe à grande vitesse, réalisant ainsi une conversion partielle de l'énergie chimique du carburant gazeux ou liquide en énergie mécanique, et délivrant du travail électrique. Les gaz d'échappement expulsés par la turbine sont rejetés dans l'atmosphère pour se dissiper naturellement. De cette manière, la turbine à gaz convertit l'énergie chimique du carburant en énergie thermique, puis transforme une partie de cette énergie thermique en énergie mécanique. Généralement, dans une turbine à gaz, le compresseur est entraîné par le travail d'expansion de la turbine à gaz, ce qui constitue la charge de la turbine. Dans un cycle simple, environ 1/2 à 2/3 du travail mécanique produit par la turbine est utilisé pour entraîner le compresseur, tandis que le reste du travail mécanique (environ 1/3) est utilisé pour entraîner le générateur. Lorsque la turbine à gaz est démarrée, une puissance externe est nécessaire au départ. En général, le démarreur entraîne le compresseur jusqu'à ce que le travail mécanique produit par la turbine à gaz dépasse celui consommé par le compresseur. Le démarreur externe est alors coupé et la turbine à gaz peut fonctionner de manière autonome.