Variantes des cycles moteurs - turbines à gaz et moteurs alternatifs à essence, à gaz et diesel
Deuxième module
Dans ce deuxième module, vous poursuivez l'application des réflexions de la semaine précédente aux moteurs à combustion interne classiques : turbines à gaz et moteurs alternatifs à essence, à gaz et diesel.
Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 40 mn de vidéos.
Thème 1 : Turbines à gaz et variantes
Rappels éventuels
Dans la première partie du cours, vous trouverez des explications sur le fonctionnement des turbines à gaz, les technologies correspondantes et les évolutions de référence suivies par leurs composants.
L'exploration dirigée S-M4-V8 présente un modèle de turbine à gaz simplifié où la chambre de combustion est remplacée par un échauffement de l'air comprimé. Elle est complétée par l'exploration TAG 2, dont l'objectif est de vous guider dans vos premiers pas de paramétrage de la combustion d'une turbine à gaz.
Cycle de turbine à gaz à régénération
Dans une turbine à gaz simple, les gaz d'échappement sont rejetés à haute température (typiquement entre 400 et 550 °C), tandis que la température de l'air sortant du compresseur est de l'ordre de 300 à 450 °C°C.
Il peut donc être envisageable de réchauffer partiellement cet air avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui réduit d'autant la consommation de combustible. Il suffit pour cela d'insérer un échangeur de chaleur entre les gaz d'échappement et l'air comprimé comme le montre cette figure.
Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à régénération.
Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.
Remarques
En utilisant le modèle Thermoptim qui fait l'objet de l'exploration dirigée proposée ci-dessous, vous pourrez vérifier que les limites de la régénération sont indépendantes de l'efficacité de l'échangeur, mais déterminées par la température de fin de combustion Tmax et par le rapport de compression/détente de la turbine.
Exploration dirigée C-M2-V2
Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
ED C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération
Bilan exergétique de la turbine à gaz à régénération
La manière dont ce bilan peut être établi et la structure productive correspondante sont expliquées dans l'exploration dirigée BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles.
Le bilan exergétique de ce cycle est donné dans le tableau ci-dessous. Son rendement exergétique est de 36,8 %.
Comme le montre la comparaison avec le bilan exergétique de la turbine à gaz simple présenté ci-dessous, dont le rendement exergétique est seulement de 33,5 %), la perte correspondant aux gaz rejetés dans l'atmosphère est plus faible, mais reste la source majeure d'irréversibilités, sauf pour la chambre de combustion.
Bilan exergétique de la turbine à gaz de référence
Si vous analysez la répartition des irréversibilités, vous voyez d'une part que plus de la moitié se situent dans la chambre de combustion, ce qui n'est pas surprenant, du fait de la conversion de l'exergie chimique du combustible en chaleur, et d'autre part que 38,4 % correspondent au dégagement de gaz dans l'atmosphère
Étant donné que la tendance actuelle consiste à augmenter le taux de compression dans les turbines à gaz, la régénération est mal adaptée aux machines modernes utilisant des technologies avancées, à l'exception des turbines à combustion séquentielle. En revanche, elle est presque toujours utilisée pour les petites turbines (25-500 kW), appelées micro-turbines. Nous verrons que les cycles combinés permettent de valoriser l'enthalpie résiduelle disponible dans les gaz d'échappement lorsque la régénération n'est pas utilisable.
Cycle à compression et détente fractionnées
Remarques
Cette variante du cycle de la turbine à gaz est une solution intéressante en terme de performances, mais peu mise en œuvre en pratique pour des raisons technologiques et économiques diverses.
Cette animation de la Marine Nationale montre comment fonctionne une TAG à refroidissement intermédiaire.
Il s'agit d'une machine aérodérivée, dont les axes couplant les turbomachines HP et BP sont concentriques.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :
Exploration dirigée C-M2-V3
Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
ED C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée
Vous trouverez une présentation des turbines à gaz dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Propulsion aéronautique
Pendant longtemps, les avions ont été propulsés par des hélices entraînées par des moteurs à essence. Aujourd'hui encore, c'est la meilleure solution pour les petits avions de tourisme.
Lorsque, pour de plus grands avions, l'hélice est conservée compte tenu de ses très bonnes performances, elle est souvent entraînée par un turbopropulseur utilisant une turbine à gaz à cycle ouvert. Cependant, les turboréacteurs ont supplanté les moteurs à hélice pour la propulsion de nombreux avions, dont la plupart des avions de ligne longs courriers.
C'est par ailleurs le seul moteur qui convient pour les vols supersoniques, et il équipe à ce titre la plupart des avions militaires.
Un turboréacteur du type de ceux qui sont généralement utilisés dans l'aviation est une simple modification d'une turbine à gaz à cycle ouvert : la turbine est dimensionnée pour entraîner seulement le turbocompresseur.
En sortie de turbine, l'énergie excédentaire disponible dans les gaz à hautes pression et température est convertie en énergie cinétique dans une tuyère (figure ci-dessous).
Remarques
Vous trouverez une présentation des turbomoteurs dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Le diffuseur et la tuyère modélisés respectivement par les composants Diffuser et Nozzle font partie de la modélothèque de Thermoptim.
Exploration dirigée C-M2-V4
Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V4 Turboréacteurs et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Thème 2 : Moteurs alternatifs à combustion interne à essence, à gaz et diesel
Mode général de fonctionnement
Vous trouverez une présentation des moteurs à combustion interne dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Remarques
Les moteurs à combustion interne sont très employés pour la propulsion de véhicules de petite et moyenne puissance, car la machine à piston s'adapte beaucoup mieux à cette utilisation que la turbomachine, qui n'est réalisable qu'avec des vitesses caractéristiques très élevées, et par conséquent doit tourner à des vitesses considérables lorsque la puissance est modérée, avec interposition de réducteurs fragiles et coûteux.
La puissance des moteurs alternatifs s'échelonne pour les applications usuelles de moins de 1 kW à 1 MW environ, l'utilisation de ces machines ayant connu le succès le plus spectaculaire étant la propulsion des véhicules routiers.
Cette animation de la Marine Nationale montre la cinématique du mouvement piston bielle vilebrequin.
Après avoir visualisé le mouvement du piston, de la bielle et du vilebrequin, l'animation met en évidence le mouvement de rotation de ce dernier lorsque le piston subit une translation.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :
Cette animation de la Marine Nationale montre le fonctionnement d'un moteur à 4 temps.
Les différentes phases du cycle sont mises en évidence, avec l'ouverture et la fermeture des soupapes et le déclenchement de la combustion par allumage commandé.
On appelle cycle de balayage, dans un moteur à 4 temps, le cycle d'échappement et d'admission, qui ne produit aucun travail.
Cette animation de la Marine Nationale montre le fonctionnement d'un moteur à 2 temps.
Les différentes phases du cycle sont mises en évidence, avec l'ouverture et la fermeture des clapets, l'obturation des lumières et le déclenchement de la combustion par allumage commandé.
Cycles théoriques et réels
Remarques
Comme vous l'avez remarqué, la modélisation des cycles des moteurs alternatifs à combustion interne est beaucoup plus complexe que celle des turbines à gaz, du fait de l'enchaînement de phases en système ouvert et en système fermé. Le détail du paramétrage du moteur à gaz présenté est expliqué dans l'exploration dirigée C-M2-V5b.
Les modèles que l'on obtient sont donc beaucoup moins réalistes et fiables que ceux des moteurs que nous avons considérés jusqu'ici.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Exploration dirigée C-M2-V5b
Ouvrez l'exploration dirigée C-M2-V5b Moteur à gaz industriel et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
ED C-M2-V5b Moteur à gaz industriel
Dans cette piste d'approfondissement, on cherche à étudier un moteur diesel en le représentant par un cycle mixte prenant en compte une combustion en trois phases, et en suivant l'évolution des propriétés du fluide thermodynamique.
La modélisation est effectuée en deux grandes étapes : dans un premier temps, le modèle est paramétré "à la main", en utilisant les fonctionnalités de base de Thermoptim, puis, dans un second temps, un pilote externe assure de manière automatique un paramétrage cohérent.
Cette fiche-guide permet d'étudier le fonctionnement des moteurs Diesel et de montrer comment on peut les modéliser de manière réaliste avec Thermoptim.
Connaissances acquises
Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :
saurez calculer une combustion dans Thermoptim, en système aussi bien ouvert que fermé
connaîtrez les principales variantes des cycles de turbines à gaz
aurez étudié des cycles simplifiés des moteurs alternatifs à combustion interne
