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1.introduction : Le rêle des turbines à gaz dans la production d'électricité, d

1.introduction : Le rêle des turbines à gaz dans la production d'électricité, de l'industrie pétrolière et dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis en utilisant l'hélium comme fluide caloporteur a pris une attention particulière ces dernières années. Les turbines à gaz sont des graupes de force dont l'utilisation dans l'industrie des hydrocarbures est très répandue, compte tenu des puissances unitaires développées élevées, à de faciles adaptations, à des régimes variables des processus d'exploitation et à de modes de démontage en blocs qui permettent des périodes de fonctionnement entre réparations de plus en plus élargies. Malgré ces avantages, leur haute sensibilité à l'influence de la température de l'air ambiant qui varie considérablement entre le jour et la nuit, l'été et l'hiver, fait que le rendement thermique d'exploitation de ces machines se trouve affecté. Actuellement pour solutionner le problème, on procede lors du projet, compte tenu des régions d'exploitation au surdimensionnement systématique des groupes d'entrainement par rapport aux machines entraînées. Ce moyen certes assez fiable est loin d'être économique compte tenu des prix élevés de ces machines et du nombre d'installations en exploitation. Le cycle d'une turbine à gaz est un cycle très souple de sorte que ses paramètres de performance, c'est-à-dire le rendement et le travail net spécifique, puissent être améliorés en ajoutant les composants supplémentaires à un cycle simple. 2.Descrintion générale et principe de fonctionnement: nous commencerons par présenter brièvement le fonctionnement d'une turbine à gaz, l'un des moteurs dont le principe est le plus simple. Cette manière de faire nous permettra d'entrer dans le vif du sujet en introduisant un certain nombre de notions nécessaires pour l'étude des technologies énergétiques : les fluides mis en jeu, les transformations qu'ils subissent et les composants correspondants, enfin les assemblages de ces composants. Elle montrera la pertinence d'une double démarche méthodologique. La turbine à gaz, aussi appelée turbine à combustian, est une machine thermique qui connaît actuellement une grande vogue, compte tenu de ses excellentes performances (rendement supérieur à 35% utilisée seule, et à 55 % en cycle combiné) Dans sa forme la plus simple et la plus répandue (figure 1.1.1), cette machine est composée de trois éléments - un compresseur généralement centrifuge ou axial, qui sert à comprimer l'air ambiant à une ssion comprise dans les machines modernes entre 10 et 30 bars environ - une chambre de combustion, dans laquelle un combustible injecté sous pression est brûlé avec l'air préalablement comprimé (ce demler en fort excès afin de limiter la température des gaz Ibrales en entrée de la turbine): . une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz à haute arbor temperature sortant la chambre de combustion. Une partie significative (60 à 70%) du travail récupéré sur l'arbre de la turbine sert à entrainer le compresseur. Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu. On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide thermadynamique, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturell ou des distillats légers). Cet exemple très simple n'est pas représentatif, loin s'en faut, du fonctionnement de tous les moteurs thermiques. Il permet toutefois de se faire une première idée de la complexité des phénomènes qui y prennent place, et donc des connaissances nécessaires pour les calculer : - des couplages existent entre les différents organes constitutifs de la machine. Ils proviennent d'une part des fluides qui les traversent, et d'autre part de la liaison mécanique entre les du compresseur et de la turbine : jes fluides thermodynamiques sont ici des mélanges gazeux dans un premier Figure 1 temps de l'air et du combustible, puis des gaz de combustion. Ils peuvent être dans chaque cas considérés comme des gaz idéaux, dont les propriétés thermadynamiques énergétiques dependent seulement de la température; . dans d'autres moteurs, comme les centrales à vapeur, le fluide thermodynamique passe alternativement de l'état de liquide à celui de vapeur. Les modèles de gaz idéaux ne sont alors plus suffisants, et doivent être remplacés par des modèles de fluides réels beaucoup plus complexes, les propriétés énergétiques faisant intervenir à la fois la pression et la température: - les phases de compression et de détente oint une importance décisive dans le fonctionnement du moteur, car c'est alors que prennent place les conversions d'énergie entre le fluide et l'arbre moteur ; • la réaction de combustion correspond à des phénomènes extrêmement complexes, actuellement encore imparfaitement connus, mais qui peuvent toutefois, être approchés par différentes méthodes, qui permettent de calculer les énergies mises en jeu et de se faire une idée de l'origine des émissions de - enfin, les fluides de travail parcourent les différents organes du moteur, et la compréhension des conditions de leur écoulement fait appel à des notions évoluées de mécanique des fluides (qui ne seront pas abordées dans ce livre). A l'instar de la turbine à gaz, les technologies énergétiques se présentent comme des assemblages de camposants sants traversés par des fluides thermodynamiques qui y subissent des transformations de complexité variable. Dans certains cas, comme par exemple dans un moteur alternatif diesel ou à essence, le même organe ensemble cylindre et piston) est amené à jouer successivement le rôle de compresseur de chambre de combustion puis d'organe de détente. En résumé, l'étude d'une technologie énergétique comme la turbine à gaz se heurte dune double difficulté : de polluants; det ende des technologies énergétiques comme difficile les fluides qui traversent ses différents composants suivent des lois de comportement relativement complexes et y subissent des transformations élémentaires dont l'analyse peut se révéler délicate (lais non linéaires, combustions, etc.); . ses composants sont couplés entre eux, de telle sorte qu'ils ne peuvent être calculés indépendamment les uns des autres. On notera toutefois que dans l'exemple présente les connexions entre les composants sont très simples : la sortie du compresseur correspond à l'entrée de la chambre de combustion et la sortie de cette dernière à l'entrée de la turbine. Cette simplicité du réseau des interconnexions est généralle et suggère d'adopter une double démarche dans l'étude des technologies énergétiques, en séparant d'une part la description du réseau des interconnexions entre les composants et d'autre part l'analyse du comportement inteme de ceux-ci. Cette manière de procéder présente de nombreux avantages comme on le verra dans la suite de cet ouvrage. Alors que traditionnellement on considère la thermodynamique comme une matière ardue et on simplifie grandement les choses si on commence par dissocier la représentation globale du S. système, généralement assez simple de l'étude de ses différents composants . . . considérés individuellement. La représentation d'ensemble se révèle très utile sur le plan qualitatif : elle est visuelle et permet de bien comprendre le rôle joué par chaque composant dans le système complet. Sur le plan didactique, elle est essentielle pour bien assimiler les principes de conception de ces technologies. Une fois que l'on a bien à l'esprit la structure inteme d'un moteur ou d'un appareil frigorifique, l'étude du comportement de l'un de ses composants est facilitée parce que l'on comprend comment il s'insère dans le tout et quelle est sa contribution au fonctionnement global. si l'on dispose d'un environnement graphique approprie comme celui qui sera présenté un peu plus loin, la structure interne du système peut être décrite très facilement. On obtient ainsi une représentation qualitative, tres parlante pour l'ingénieur, qu'il ne reste plus ensuite qu'à quantifier en paramétrant les propriétés thermodynamiques des différents composants puis en les calculant. Au cours des dernières années, du fait du développement des technologies de l'information, la manière dont l'ingénieur mobilise ses connaissances scientifiques a beaucoup évolué. Le temps où il repartait des équations fondamentales et où il les resolvait lui-même est maintenant assez largement révolu. De plus en plus, il a recours à des modèles qui encapsulent les équations dont il a besoin, et il les met en oeuvre dans des environnements de modélisation destinés à faciliter leur assemblage. La modélisation jouant ainsi un rôle croissant dans son activité, il importe qu'il soit capable de choisir avec discernement les modèles qu'il utilise et pour cela qu'il sache bien en evaluer les limites. Le développement d'une solide culture en matière de modélisation devrait donc de plus en plus s'imposer comme une nécessité incontournable dans la formation des ingénieurs. Au-delà de la résolution immédiate d'un problème donne, la modélisation, si elle se veut efficace, doit être économique, sûre et réutilisable. Sur la base des travaux menés dans ce domaine depuis quelques décennies, il apparait que ceci implique qu'elle soit modulaire (on remarquera que l'étymologie des deux mots est la même) et que i'assemblage de modeles complexes soit facilité par des outils appropriés : les environnements de s de modélisation. Un environnement de modélisation des technologies énergétiques doit si possible permettre de combiner une démarche systémique pour la modélisation globale, et une démarche analytique ou empirique classique pour l'élaboration des modèles de composants. Ces deux démarches, souvent présentées comme antinomiques, se révèlent en effet uploads/Industriel/ 1-introduction-wps-office.pdf