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Chapitre 10
10.5 Les configurations des
turbomachines
10.5.1 Intérêt des turbomachines
« La turbine à vapeur, sans apporter de réelle amélioration quant
à la dépense de vapeur, est entrée
dans l’industrie grâce à la simplicité
de sa construction, et il en sera de
même pour la turbine à gaz, qui est de
construction plus simple que le moteur
à gaz, pour peu qu’elle puisse seulement dépasser les moteurs à vapeur en
efficacité. »
Aurel Stodola, 1904, [26, 27]
Les turbomachines, c’est-à-dire les machines transférant de l’énergie entre
un fluide et un axe en rotation, 1 présentent deux grands avantages par
rapport aux moteurs à pistons :
• Le rapport puissance-poids des turbomachines est environ trois fois supérieur, car le nombre de pièces mobiles est réduit, et leur mouvement
très simple, ce qui permet de les alléger ;
• Dans le cas de la propulsion aéronautique, le fluide moteur peut être
utilisé comme médium de propulsion lui-même. Il suffit de laisser l’air
sortir de la turbine avec une pression résiduelle et de le laisser se détendre
dans une tuyère. On obtient alors une poussée par réaction (égale au débit
de masse multiplié par sa vitesse) : c’est le principe du turboréacteur.
Ainsi, ce type de machine est inégalable lorsque de grandes puissances sont
requises avec contrainte d’espace ou de poids.
L’inconvénient majeur des turbomachines est que leur efficacité et réactivité
chutent très rapidement à faible puissance. En effet, à charge partielle, le
taux de compression et l’efficacité isentropique des turbines et compresseurs s’effondrent, pour des raisons qui relèvent de la mécanique des fluides.
Les turbomachines sont donc exclusivement utilisées lorsque de hautes
puissances sont requises de façon soutenue. Par exemple, le secteur automobile, où les variations de puissance sont nombreuses et doivent être
actées instantanément, leur est – au grand dam des thermodynamicien/nes
– inaccessible.
10.5.2 Le cœur du moteur, ou le « générateur à
gaz »
Le cœur de tout moteur à turbine, souvent appelé générateur à gaz, ne
comporte qu’un arbre et qu’une seule turbine (figure 10.16). Cette section de
machine n’a pas d’utilité en elle-même, mais l’air à sa sortie, dont la pression
est plus haute que la pression d’entrée, peut être utilisé dans une multitude
d’applications.
Dans cette configuration la turbine extrait exactement assez de puissance
pour alimenter le compresseur. À sa sortie, l’air est encore comprimé et peut
être exploité d’une multitude de façons.
1 Les turbomachines sont souvent appelées « turbines à gaz », surtout en anglais
où gas turbine dénote toute la machine et non seulement son composant.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 10
10.5 Les configurations des
turbomachines
10.5.1 Intérêt des turbomachines
« La turbine à vapeur, sans apporter de réelle amélioration quant
à la dépense de vapeur, est entrée
dans l’industrie grâce à la simplicité
de sa construction, et il en sera de
même pour la turbine à gaz, qui est de
construction plus simple que le moteur
à gaz, pour peu qu’elle puisse seulement dépasser les moteurs à vapeur en
efficacité. »
Aurel Stodola, 1904, [26, 27]
Les turbomachines, c’est-à-dire les machines transférant de l’énergie entre
un fluide et un axe en rotation, 1 présentent deux grands avantages par
rapport aux moteurs à pistons :
• Le rapport puissance-poids des turbomachines est environ trois fois supérieur, car le nombre de pièces mobiles est réduit, et leur mouvement
très simple, ce qui permet de les alléger ;
• Dans le cas de la propulsion aéronautique, le fluide moteur peut être
utilisé comme médium de propulsion lui-même. Il suffit de laisser l’air
sortir de la turbine avec une pression résiduelle et de le laisser se détendre
dans une tuyère. On obtient alors une poussée par réaction (égale au débit
de masse multiplié par sa vitesse) : c’est le principe du turboréacteur.
Ainsi, ce type de machine est inégalable lorsque de grandes puissances sont
requises avec contrainte d’espace ou de poids.
L’inconvénient majeur des turbomachines est que leur efficacité et réactivité
chutent très rapidement à faible puissance. En effet, à charge partielle, le
taux de compression et l’efficacité isentropique des turbines et compresseurs s’effondrent, pour des raisons qui relèvent de la mécanique des fluides.
Les turbomachines sont donc exclusivement utilisées lorsque de hautes
puissances sont requises de façon soutenue. Par exemple, le secteur automobile, où les variations de puissance sont nombreuses et doivent être
actées instantanément, leur est – au grand dam des thermodynamicien/nes
– inaccessible.
10.5.2 Le cœur du moteur, ou le « générateur à
gaz »
Le cœur de tout moteur à turbine, souvent appelé générateur à gaz, ne
comporte qu’un arbre et qu’une seule turbine (figure 10.16). Cette section de
machine n’a pas d’utilité en elle-même, mais l’air à sa sortie, dont la pression
est plus haute que la pression d’entrée, peut être utilisé dans une multitude
d’applications.
Dans cette configuration la turbine extrait exactement assez de puissance
pour alimenter le compresseur. À sa sortie, l’air est encore comprimé et peut
être exploité d’une multitude de façons.
1 Les turbomachines sont souvent appelées « turbines à gaz », surtout en anglais
où gas turbine dénote toute la machine et non seulement son composant.
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen