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Chapitre 9
Un peu d’histoire :
De la turbine à vapeur
à la turbine à gaz
*
Au début du xx e siècle, la turbine a remplacé les
pistons et cylindres dans tous les moteurs à vapeur.
Une turbine est une pièce de géométrie complexe,
sensible aux imperfections de fabrication, ce qui
rend sa construction plus délicate que celle de pistons cylindriques. En contrepartie, on obtient un
moteur d’agencement simple, vibrant peu, et plus
facile à assembler, entretenir et lubrifier, ce qui permet d’augmenter sa puissance ou de réduire son
volume. L’ingénieur anglais Charles Parsons le démontre de façon spectaculaire en 1897 avec la Turbinia (figure 9.23), premier navire en son genre et si
rapide qu’aucun bâtiment militaire ne parvient à le
rattraper. Dix ans plus tard, toute la Royal Navy est
propulsée avec des turbines.
Figure 9.23 – Le Turbinia, yatch de Charles Parsons servant de démonstrateur pour ses recherches en propulsion
maritime. Avec ses trois turbines à vapeur et ses neuf
hélices, il atteint 60 km/h et permet à son propriétaire
de ridiculiser la Royal Navy pendant le défilé du jubilé de
la reine Victoria en 1897.
Photo par Alfred John West, 1897 (domaine public)
Dans l’univers des moteurs à gaz, la situation est
tout autre : jusqu’à la fin des années 1930, tous les
moteurs sont à pistons-cylindres. Cette technologie culmine dans le secteur aéronautique, où l’on
arrange les cylindres en étoiles derrière les hélices,
pour réduire l’encombrement et les vibrations engendrées. Dans ces machines, telles que le Twin
Wasp de Pratt & Whitney, l’arrangement mécanique
des cylindres, bielles et vilebrequins est absolument
phénoménal (figure 9.24), et les circuits d’alimentation et de vidange des dizaines de chambres de
combustion différentes sont labyrinthiques. Deux
ingénieurs, l’allemand Hans von Ohain et l’anglais
Frank Whittle, se consacrent indépendamment à la
conception d’un moteur à turbine destiné à s’affranchir de cette complexité.
Figure 9.24 – Découpe d’un moteur Pratt & Whitney
Twin Wasp (1932), montrant l’arrangement intérieur avec
bielles et vilebrequins reliant les deux rangées de sept pistons agencés en étoile. Le moteur, de cylindrée 30 L, dégageait plus de 1 000 ch et a été produit à plus de 170 000
exemplaires.
Photo CC-by-sa Olivier Cleynen
La mise au point d’un moteur à turbine est bien
plus difficile pour les gaz que pour la vapeur.
Certes, l’air (ou les gaz brûlés) et la vapeur sèche
ont des propriétés très similaires : ainsi une turbine à vapeur fonctionne très bien avec de l’air
comprimé. La difficulté se trouve à l’autre extrémité du moteur. Dans les moteurs à vapeur
la compression de l’eau est faite à l’état liquide,
ce qui est très économe. Compresser de l’eau à
10 ◦ C de 1 à 10 bar, par exemple, ne requiert que
í µí±¤ A→B ≈ í µí±£ í µí°¿ (í µí± B − í µí± A ) = 0,001(10 − 1) × 10 5 =
900 J kg
−1 (9/4). Par contraste, faire de même avec
de l’air demande une puissance spécifique minimale
de í µí±¤ A→B = í µí± í µí± Δí µí± = í µí± í µí± ( í µí± A (í µí± B /í µí± A )
í µí»¾−1
í µí»¾ − í µí± A ) =
1 005 ( 283,15 (10)
0,4
1,4 − 283,15 ) = 265 kJ kg
−1 (4/34
& 4/37), soit presque trois cents fois plus !
Nous avons vu en §9.4.2 que la compression liquide
n’est pas sans contrepartie – elle doit être compensée par une plus grande puissance à la chaudière
et réduit le rendement thermodynamique — mais
elle facilite grandement la mise au point du moteur.
Comme la quasi-totalité de la puissance nette du
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 9
Un peu d’histoire :
De la turbine à vapeur
à la turbine à gaz
*
Au début du xx e siècle, la turbine a remplacé les
pistons et cylindres dans tous les moteurs à vapeur.
Une turbine est une pièce de géométrie complexe,
sensible aux imperfections de fabrication, ce qui
rend sa construction plus délicate que celle de pistons cylindriques. En contrepartie, on obtient un
moteur d’agencement simple, vibrant peu, et plus
facile à assembler, entretenir et lubrifier, ce qui permet d’augmenter sa puissance ou de réduire son
volume. L’ingénieur anglais Charles Parsons le démontre de façon spectaculaire en 1897 avec la Turbinia (figure 9.23), premier navire en son genre et si
rapide qu’aucun bâtiment militaire ne parvient à le
rattraper. Dix ans plus tard, toute la Royal Navy est
propulsée avec des turbines.
Figure 9.23 – Le Turbinia, yatch de Charles Parsons servant de démonstrateur pour ses recherches en propulsion
maritime. Avec ses trois turbines à vapeur et ses neuf
hélices, il atteint 60 km/h et permet à son propriétaire
de ridiculiser la Royal Navy pendant le défilé du jubilé de
la reine Victoria en 1897.
Photo par Alfred John West, 1897 (domaine public)
Dans l’univers des moteurs à gaz, la situation est
tout autre : jusqu’à la fin des années 1930, tous les
moteurs sont à pistons-cylindres. Cette technologie culmine dans le secteur aéronautique, où l’on
arrange les cylindres en étoiles derrière les hélices,
pour réduire l’encombrement et les vibrations engendrées. Dans ces machines, telles que le Twin
Wasp de Pratt & Whitney, l’arrangement mécanique
des cylindres, bielles et vilebrequins est absolument
phénoménal (figure 9.24), et les circuits d’alimentation et de vidange des dizaines de chambres de
combustion différentes sont labyrinthiques. Deux
ingénieurs, l’allemand Hans von Ohain et l’anglais
Frank Whittle, se consacrent indépendamment à la
conception d’un moteur à turbine destiné à s’affranchir de cette complexité.
Figure 9.24 – Découpe d’un moteur Pratt & Whitney
Twin Wasp (1932), montrant l’arrangement intérieur avec
bielles et vilebrequins reliant les deux rangées de sept pistons agencés en étoile. Le moteur, de cylindrée 30 L, dégageait plus de 1 000 ch et a été produit à plus de 170 000
exemplaires.
Photo CC-by-sa Olivier Cleynen
La mise au point d’un moteur à turbine est bien
plus difficile pour les gaz que pour la vapeur.
Certes, l’air (ou les gaz brûlés) et la vapeur sèche
ont des propriétés très similaires : ainsi une turbine à vapeur fonctionne très bien avec de l’air
comprimé. La difficulté se trouve à l’autre extrémité du moteur. Dans les moteurs à vapeur
la compression de l’eau est faite à l’état liquide,
ce qui est très économe. Compresser de l’eau à
10 ◦ C de 1 à 10 bar, par exemple, ne requiert que
í µí±¤ A→B ≈ í µí±£ í µí°¿ (í µí± B − í µí± A ) = 0,001(10 − 1) × 10 5 =
900 J kg
−1 (9/4). Par contraste, faire de même avec
de l’air demande une puissance spécifique minimale
de í µí±¤ A→B = í µí± í µí± Δí µí± = í µí± í µí± ( í µí± A (í µí± B /í µí± A )
í µí»¾−1
í µí»¾ − í µí± A ) =
1 005 ( 283,15 (10)
0,4
1,4 − 283,15 ) = 265 kJ kg
−1 (4/34
& 4/37), soit presque trois cents fois plus !
Nous avons vu en §9.4.2 que la compression liquide
n’est pas sans contrepartie – elle doit être compensée par une plus grande puissance à la chaudière
et réduit le rendement thermodynamique — mais
elle facilite grandement la mise au point du moteur.
Comme la quasi-totalité de la puissance nette du
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen