Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz (aussi appelée turbine à combustion) est composée de trois éléments :

• un compresseur, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une pression comprise aujourd'hui entre 10 et 30 bars environ ;

• une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin de limiter la température des gaz d'échappement ;

• une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

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 de travail, 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 naturel ou des distillats légers). Il existe aussi des turbines à gaz à cycle fermé, utilisées pour des applications particulières. Bien évidemment, il s'agit alors de moteurs à combustion externe.

Pour atteindre des taux de compression r de 20 ou 30, le compresseur est multiétagé, avec parfois une réfrigération intermédiaire destinée à réduire le travail consommé. Les rotors axiaux sont constitués d'un empilage de disques, soit montés sur un moyeu central, soit assemblés en tambour sur leur périphérie. Les matériaux utilisés vont des alliages d'aluminium ou de titane pour les premiers étages aux alliages d'acier et aux alliages réfractaires pour les derniers étages, qui peuvent supporter des températures atteignant 500 °C.

La chambre de combustion est normalement construite en alliage réfractaire. 

Dans les turbines à gaz à cycle ouvert, les principales contraintes technologiques se situent au niveau des premiers étages de la turbine de détente, qui sont soumis au flux des gaz d'échappement à très haute température.

Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et, de plus, particulièrement sensibles à l'abrasion. Il importe donc d'utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former des acides), et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages. Les matériaux utilisés pour les aubages de la turbine sont des alliages réfractaires à base de nickel ou de cobalt, et on envisage de recourir à des céramiques dans l'avenir.

Comme le rendement du cycle est lui-même une fonction croissante de la température, d'importants développements technologiques ont été consacrés à la mise au point, d'une part de systèmes de refroidissement efficaces des aubages, et d'autre part de matériaux résistant aux températures élevées. Depuis un demi-siècle, on a ainsi pu relever progressivement (d'environ 20 °C par an) le niveau de température d'entrée dans la turbine, pour atteindre aujourd'hui 1300 à 1500 °C.

Turbine à gaz simple

Il est possible de modéliser en première approximation un cycle de turbine à gaz de manière analytique, en faisant l'hypothèse que la machine était traversée par un débit constant d'air parfait.

De tels modèles trouvent toutefois assez rapidement leurs limites du fait qu'en réalité le débit-masse et la composition des gaz varient et que leur capacité thermique massique dépend de la température.

Si l'on veut s'affranchir de cette hypothèse, les calculs analytiques deviennent vite inextricables. Il est en revanche tout à fait possible de modéliser avec une bonne précision divers cycles de turbines à gaz avec Thermoptim comme nous le verrons dci-dessous. C'est en ce sens que la méthode proposée dans ce portail complète l'approche classique en permettant d'obtenir des résultats beaucoup plus précis et vraisemblables.

Si vous désirez savoir comment bâtir pas à pas un tel modèle avec Thermoptim, vous pouvez vous référer à ce guide de prise en mains ou à la séance Diapason S24.

Cette exploration dirigée vous familiarisera avec le modèle Thermoptim de ce cycle, la chambre de combustion étant rempalcée par un simple échauffement.

Cette exploration dirigée vous familiarisera avec le modèle Thermoptim de ce cycle, avec paramétrage de la chambre de combustion.

Cette figure montre le résultat d'une telle modélisation.

Turbine à gaz à deux arbres

La turbine à gaz la plus simple est une machine où le compresseur et la turbine sont accouplés sur le même arbre, lequel entraîne directement la machine réceptrice.

On peut montrer que la turbine à une ligne d'arbre est mal adaptée pour un fonctionnement à charge partielle, surtout si la vitesse de rotation est imposée (cas de la production d'électricité par exemple). En revanche, en cas de décharge brusque de la machine réceptrice, la vitesse d'emballement de la turbine à gaz reste modérée, le compresseur absorbant près des deux tiers de la puissance fournie par la turbine.

Les limites d'adaptation de la turbine à un seul arbre conduisent à l'idée de la séparer en deux parties selon ses fonctions respectives : d'une part la turbine auxiliaire ou liée, généralement située à l'amont, dont le rôle est uniquement d'entraîner le compresseur, et d'autre part la turbine de puissance utile, entraînant la machine utilisatrice (figure ci-dessous). On distingue ainsi le générateur de gaz, à l'amont, et la turbine libre, à l'aval.

Le générateur de gaz étant mécaniquement indépendant de la machine utilisatrice, on peut faire varier sa vitesse de rotation sans contrainte.

Le fonctionnement à charge partielle s'obtient en jouant simultanément sur l'injection de combustible et sur la vitesse de rotation, ce qui a pour effet de réduire le débit aspiré par le générateur de gaz. La puissance fournie peut ainsi être réglée en conservant un rendement acceptable dans un intervalle beaucoup plus large qu'avec la turbine à un seul arbre (80 % du rendement nominal à 60 % de la charge, 60 % à 30 % de la charge). En revanche, le rendement nominal est un peu plus faible que celui de la turbine à gaz à un seul arbre, du fait de pertes par frottements accrues, et le coût d'installation est légèrement plus élevé.

Les installations à deux arbres sont donc surtout utilisées lorsque l'on recherche un bon rendement dans un large domaine de variation de puissance de la machine réceptrice. C'est notamment le cas des transports, et en particulier de la propulsion aéronautique.

Un avantage supplémentaire des turbines à gaz à deux arbres est qu'il est possible de faire tourner le générateur de gaz à très haute vitesse (entre 20 000 et 30 000 tours/mn), ce qui autorise des constructions très compactes. En particulier, les constructeurs de moteurs d'avion ont développé des techniques très performantes, utilisant des arbres creux pour réduire l'encombrement dû à la présence des deux arbres.

Enfin, les problèmes de démarrage sont grandement facilités puisqu'on peut lancer le générateur de gaz à sa vitesse nominale avant de coupler la turbine utile à la machine réceptrice. On dispose ainsi d'une réserve de puissance pour vaincre le couple de démarrage de cette dernière, ce qui n'est pas le cas dans les installations à un seul arbre.

Cette figure montre le synoptique Thermoptim d'une turbine à gaz à deux arbres.

Ce document explique comment réaliser une telle modélisation avec Thermoptim.

Dans une turbine à gaz, le rejet dans l'atmosphère des gaz sortant de la turbine correspond à une très grande irréversibilité. Il est parfois possible de la réduire.

Une autre idée pour améliorer le cycle consiste à fractionner la compression ou la détente. Cette opération peut le cas échéant être répétée plusieurs fois.

Diverses variantes du cycle de base ont ainsi été proposées.

Turbine à gaz à régénération

Les gaz d'échappement sortent à des températures élevées (de l'ordre de 500°C), alors que la température de l'air sortant du compresseur est plus basse (typiquement autour de 400°C).

Il est donc 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.

On appelle cycle à régénération cette variante du cycle simple.

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (C-M2-V2).

Turbine à gaz à compression et détente fractionnées

Une autre idée pour améliorer le cycle consiste à fractionner la compression ou la détente. Cette opération peut le cas échéant être répétée plusieurs fois.

Examinons le cas d'un cycle dit à refroidissement intermédiaire, dans lequel la compression est fractionnée (figure ci-dessous). En sortie du premier corps de compression, l'air à 185 °C est refroidi par échange avec l'air extérieur à 15 °C, ce qui permet de baisser sa température à 20 °C. Il est alors recomprimé à la pression finale, le travail de compression étant plus faible.

En revanche, comme la température de sortie du deuxième corps de compression a elle aussi baissé, il faut apporter plus de chaleur dans la chambre de combustion. Le bilan global reste cependant bénéfique.

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (C-M2-V3).

La difficulté est que la morphologie des turbines à gaz qui conduisent aux meilleures performances n'est généralement pas bien adaptée à un refroidissement intermédiaire, de telle sorte que cette solution est rarement employée

Il est en revanche souvent plus facile d'insérer une combustion séquentielle qu'un refroidissement intermédiaire, la chambre de combustion pouvant être de taille beaucoup plus petite qu'un échangeur de refroidissement.

La fonction principale d'une turbine à gaz est de produire de la puissance mécanique à partir d'un combustible liquide ou gazeux propre.

Les fonctions des éléments mis en évidence à partir de l'analyse technique précédente peuvent être énoncées comme suit :

• comprimer l'air entrant ;

• le porter à haute température par combustion ;

• détendre les gaz brûlés dans une turbine produisant du travail mécanique.

Le problème est d'autant plus difficile à résoudre que les formes des tuyères fixes et des aubages mobiles des turbines sont très complexes, surtout dans les modèles de petite taille dérivés de l'aviation.

Pour effectuer le refroidissement, on prélève de l'air à différents niveaux du compresseur, en fonction de la pression désirée, pour le réinjecter dans la turbine.

Cet air parcourt ensuite l'intérieur des aubages, à travers un jeu de chicanes judicieusement conçu, pour être ensuite évacué avec les gaz d'échappement, soit au niveau du bord de fuite, soit en ménageant une certaine porosité à travers la paroi.

Il faut donc introduire une fonction contrainte « Refroidir les aubages ».

Une fonction contrainte supplémentaire correspondant à l'alimentation en combustible doit aussi être ajoutée, et une autre pour représenter le contrôle de la combustion, toute surchauffe pouvant conduire à une détérioration de la turbine.

Enfin des précautions particulières doivent être prises pour bien lubrifier le moteur, une fonction contrainte elle aussi fondamentales pour sa bonne marche.

L'ensemble de ces fonctions est détaillé dans cette page.

De nombreuses variantes du cycle de base de la turbine à gaz présenté ci-dessus ont été proposées. Un certain nombre font l'objet de fiches thématiques auxquelles vous pouvez vous référer :

Cycles nucléaires à haute température (HTR)

Cycles au CO2 supercritique pour réacteurs nucléaires HTR

Cycle de turbine à gaz à air humide HAT

Chapitre 2

Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Exercices d'auto-évaluation

Configuration d'une turbine à gaz, texte à trous

Fonctionnalités dans un cycle de turbine à gaz, placement sur image

Configuration d'une turbine à gaz, placement sur image

Energie mécanique dans une turbine à gaz simple, quiz

Repérage d'un cycle de turbine à gaz dans un diagramme (h, ln(P)), placement sur image

Repérage d'un cycle de turbine à gaz dans un diagramme entropique, placement sur image

Explorations dirigées

S-M3-V8 Exploration d'une turbine à gaz simple

L'objectif de cette exploration est de vous guider dans vos premiers pas d'utilisation de Thermoptim, en vous faisont découvrir les principaux écrans et fonctionnalités associés à un modèle de turbine à gaz simple.

Vous découvrirez l'agencement des écrans des points et des transfos, la manière dont ils peuvent être reparamétrés et calculés, les notions d'énergies utiles et payantes permettant de dresser les bilans énergétiques globaux.

Vous visualiserez les cycles dans le diagramme thermodynamique (h, ln(P)) et vous effectuerez des études de sensibilité du cycle à la température extérieure, la température d'entrée turbine et au taux de compression.

C-M2-V2 Turbine à gaz à régénération

L'une des principales pertes d'un cycle de turbine à gaz est le rejet à l'atmosphère des gaz d'échappement qui sortent de la turbine alors qu'ils sont encore à température élevée.

Dans un cycle à régénération, on réchauffe partiellement l'air comprimé 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.

Vous apprendrez comment paramétrer une combustion

C-M2-V3 Turbine à gaz à compression fractionnée

Cette exploration dirigée, présente un cycle de turbine à gaz à compression fractionnée, qui permet d'améliorer le cycle de base.

Les séances Diapason traitant des turbines à gaz à cycle ouvert sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S20 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de turbine à gaz variés : dans la séance S21, on fait l'hypothèse que la machine est parcourue par de l'air, lui-même supposé parfait, ce qui permet de comparer les résultats avec ceux d'un modèle purement analytique. La séance S22 complète la précédente, l'air aspiré étant considéré comme un mélange de N2, O2 et Ar. La combustion est alors prise en compte. La séance S23 permet d'établir le bilan exergétique de la machine et d'étudier une variante à régénération. La séance S24 permet de construire directement un modèle de turbine à gaz avec combustion sans passer par le modèle à air parfait. Elle résume donc en quelque sorte les séances S21 et S22. La séance S20_aero présente les turbomoteurs, qui sont de simples variantes des turbines à gaz.

Les séances Diapason traitant des turbines à gaz à cycle fermé sont données dans le tableau ci-dessous, qui complète le précédent, autour de l'exemple d'une turbine à gaz à hélium du type de celle qui pourrait être utilisée couplée à un réacteur nucléaire à haute température HTR.

La séance S21He correspond à un cycle simple, et la séance S23 permet d'étudier une variante à régénération.

 La fiche-guide de TD FG16 réalisée par Patrice NORTIER permet d'étudier les performances d'une turbine à gaz en fonction des paramètres de fonctionnement ( sujet seul, complet avec corrigé)

L'objectif de ce travail est de faire découvrir aux élèves la technologie et le fonctionnement d'une turbine à gaz ainsi que les paramètres clés de son fonctionnement.

 Par ailleurs, la liste des fiches-guides en contient plusieurs qui mettent en jeu des turbines à gaz.

Un guide de prise en mains vous permet tout d'abord de vous initier à la modélisation d'une turbine à gaz avec combustion  dans Thermoptim.

Les modules ExpliSite vous proposent des explorations virtuelles guidées des cycles de turbine à gaz, avec des liens vers des explications théoriques, technologiques, méthodologiques... Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond aux connaissances qui ont été introduites au cours de la première étape du module d'auto-formation aux systèmes énergétiques, et les deux suivants à celles de la deuxième étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulations, des demandes d'extraction d'informations qualitatives ou quantitatives pour renseigner des formulaires, répondre à des questions, effectuer des calculs de bilans…

Nous vous conseillons donc, si vous avez le temps, d'étudier les différents  niveaux du module ExpliSite sur les turbines à gaz.

Le niveau 3 vous permettra en particulier d'étudier diverses variantes de cycles de turbine à gaz qui ne sont pas traitées dans les modules Diapason :

• Cycle à refroidissement intermédiaire,

• Cycle à combustion séquentielle,

• Cycle à refroidissement intermédiaire, combustion séquentielle et régénération,

• Cycle à injection de vapeur

Nous  vous proposons  aussi quelques exercices  pour développer votre capacité de modélisation de ces cycles avec Thermoptim. Les énoncés étant très succincts, le schéma de l'installation est fourni dans chaque cas. Les corrigés sont accessibles aux enseignants authentifiés. Une fois le modèle établi, vous pouvez faire des études de sensibilité pour analyser l'influence des différents paramètres sur les performances des cycles.  

Enfin, voici un document qui présente de manière succincte quelques utilisations possibles de Thermoptim pour l'étude des turbines à gaz et cycles associés . Vous pourrez vous exercer à modéliser les cycles représentés, qui couvrent un large domaine de complexité.