Turbine à gaz -Gas turbine

Exemples de configurations de turbines à gaz : (1) turboréacteur , (2) turbopropulseur , (3) turbomoteur (générateur électrique), (4) turboréacteur à haut débit , (5) turboréacteur à postcombustion à faible débit

Une turbine à gaz , également appelée turbine à combustion , est un type de moteur à combustion continue et interne . Les principaux éléments communs à tous les moteurs à turbine à gaz sont :

Un quatrième composant est souvent utilisé pour augmenter l'efficacité (sur les turbopropulseurs et les turbosoufflantes ), pour convertir la puissance sous forme mécanique ou électrique (sur les turbomoteurs et les générateurs électriques ) ou pour obtenir un rapport poussée / poids plus élevé (sur les moteurs à postcombustion ).

Le fonctionnement de base de la turbine à gaz est un cycle de Brayton avec de l'air comme fluide de travail : l'air atmosphérique circule dans le compresseur qui l'amène à une pression plus élevée ; de l'énergie est ensuite ajoutée en pulvérisant du carburant dans l'air et en l'allumant de sorte que la combustion génère un flux à haute température ; ce gaz sous pression à haute température entre dans une turbine, produisant une sortie de travail d'arbre dans le processus, utilisée pour entraîner le compresseur ; l'énergie inutilisée sort dans les gaz d'échappement qui peuvent être réaffectés à des travaux extérieurs, comme produire directement de la poussée dans un turboréacteur , ou faire tourner une seconde turbine indépendante (dite turbine de puissance ) pouvant être reliée à une soufflante, une hélice , ou générateur électrique. Le but de la turbine à gaz détermine la conception de sorte que la répartition d'énergie la plus souhaitable entre la poussée et le travail de l'arbre soit obtenue. La quatrième étape du cycle de Brayton (refroidissement du fluide de travail) est omise, car les turbines à gaz sont des systèmes ouverts qui ne réutilisent pas le même air.

Les turbines à gaz sont utilisées pour propulser les avions, les trains, les navires, les générateurs électriques, les pompes, les compresseurs de gaz et les réservoirs .

Chronologie du développement

Croquis de la turbine à gaz de John Barber, d'après son brevet
  • 50 : Premiers enregistrements du moteur de Hero ( aeolipile ). Cela n'avait probablement aucun but pratique et était plutôt une curiosité; néanmoins, il a démontré un principe physique important sur lequel reposent tous les moteurs à turbine modernes.
  • 1000 : La "lampe du cheval au trot" ( chinois :走马灯, zŏumădēng ) était utilisée par les Chinois lors des foires aux lanternes dès la dynastie des Song du Nord . Lorsque la lampe est allumée, le flux d'air chauffé monte et entraîne une turbine sur laquelle sont fixés des personnages d'équitation, dont les ombres sont ensuite projetées sur l'écran extérieur de la lanterne.
  • 1500: Le Chimney Jack a été dessiné par Léonard de Vinci : L'air chaud d'un feu monte à travers un rotor de turbine axiale à un étage monté dans le conduit d'échappement de la cheminée et faisant tourner la broche à rôtir par une connexion à chaîne dentée.
  • 1629 : Des jets de vapeur font tourner une turbine à impulsion qui entraîne alors un moulin à emboutir en état de marche au moyen d'un engrenage conique , mis au point par Giovanni Branca .
  • 1678 : Ferdinand Verbiest construit un modèle réduit de voiture alimenté par un jet de vapeur.
  • 1791 : Un brevet est accordé à John Barber , un Anglais, pour la première véritable turbine à gaz. Son invention avait la plupart des éléments présents dans les turbines à gaz modernes. La turbine a été conçue pour propulser une voiture sans chevaux .
  • 1861 : brevet britannique no. 1633 a été accordé à Marc Antoine François Mennons pour un "Moteur calorique". Le brevet montre qu'il s'agissait d'une turbine à gaz et les dessins montrent qu'il s'appliquait à une locomotive. Nicolas de Telescheff (autrement dit Nicholas A. Teleshov), un pionnier de l'aviation russe, était également nommé dans le brevet .
  • 1872 : Un moteur à turbine à gaz conçu par l'ingénieur berlinois Franz Stolze est considéré comme la première tentative de création d'un modèle de travail, mais le moteur n'a jamais fonctionné par lui-même.
  • 1894 : Sir Charles Parsons fait breveter l'idée de propulser un navire avec une turbine à vapeur et construit un navire de démonstration, le Turbinia , de loin le navire le plus rapide à flot à l'époque. Ce principe de propulsion est encore d'une certaine utilité.
  • 1895 : Trois générateurs à flux radial Parsons de 4 tonnes et 100 kW sont installés dans la centrale électrique de Cambridge et utilisés pour alimenter le premier système d'éclairage public électrique de la ville.
  • 1899 : Charles Gordon Curtis fait breveter le premier moteur à turbine à gaz aux États-Unis ("Apparatus for generationmechanical power", brevet n° US635,919).
  • 1900 : Sanford Alexander Moss soutient une thèse sur les turbines à gaz. En 1903, Moss est devenu ingénieur pour le département des turbines à vapeur de General Electric à Lynn, Massachusetts . Là-bas, il a appliqué certains de ses concepts au développement du turbocompresseur . Sa conception utilisait une petite roue de turbine, entraînée par les gaz d'échappement, pour faire tourner un compresseur.
  • 1903 : Un Norvégien, Ægidius Elling , construit la première turbine à gaz capable de produire plus d'énergie que nécessaire pour faire fonctionner ses propres composants, ce qui était considéré comme un exploit à une époque où les connaissances en aérodynamique étaient limitées. Utilisant des compresseurs rotatifs et des turbines, il produisait 11 ch.
  • 1906 : La turbomachine Armengaud-Lemale en France avec une chambre de combustion refroidie par eau.
  • 1910: la turbine à impulsion Holzwarth (combustion pulsée) atteint 150 kW (200 ch).
  • 1913 : Nikola Tesla brevète la turbine Tesla basée sur l' effet de couche limite .
  • La théorie pratique de l'écoulement de gaz à travers les passages a été développée dans la théorie plus formelle (et applicable aux turbines) de l'écoulement de gaz au-delà des profils aérodynamiques par AA Griffith , ce qui a abouti à la publication en 1926 de An Aerodynamic Theory of Turbine Design . Des conceptions de banc d'essai de travail de turbines axiales adaptées à l'entraînement d'une hélice ont été développées par le Royal Aeronautical Establishment , prouvant ainsi l'efficacité de la mise en forme aérodynamique des pales en 1929.
  • 1930 : N'ayant trouvé aucun intérêt de la part de la RAF pour son idée, Frank Whittle fait breveter la conception d'une turbine à gaz centrifuge pour la propulsion à réaction . La première utilisation réussie de son moteur eut lieu en Angleterre en avril 1937.
  • 1932: BBC Brown, Boveri & Cie de Suisse commence à vendre des turbosets à compresseur axial et à turbine dans le cadre de la chaudière Velox génératrice de vapeur turbocompressée . Suivant le principe de la turbine à gaz, les tubes d' évaporation de vapeur sont disposés à l'intérieur de la chambre de combustion de la turbine à gaz ; la première usine Velox a été érigée à Mondeville, Calvados, France.
  • 1934 : Raúl Pateras de Pescara fait breveter le moteur à piston libre comme générateur de gaz pour turbines à gaz.
  • 1936: Whittle avec d'autres soutenus par des formes d'investissement Power Jets Ltd
  • 1937 : Un prototype de moteur à réaction de preuve de concept fonctionne au Royaume-Uni (Frank Whittle) et en Allemagne ( Hans von Ohain Heinkel HeS 1 ). Henry Tizard obtient un financement du gouvernement britannique pour poursuivre le développement du moteur Power Jets .
  • 1939 : Première turbine à gaz de production d'électricité de 4 MW de BBC Brown, Boveri & Cie. pour une centrale électrique de secours à Neuchâtel, en Suisse.
  • 1944 : Le moteur Junkers Jumo 004 entre en pleine production, propulsant les premiers avions militaires allemands tels que le Messerschmitt Me 262 . C'est le début du règne des turbines à gaz dans le ciel.
  • 1946 : Création du National Gas Turbine Establishment à partir de Power Jets et de la division des turbines RAE pour réunir les travaux de Whittle et Hayne Constant . À Beznau , en Suisse, la première unité commerciale de réchauffage/récupération générant 27 MW a été mise en service.
  • 1947 : Une Metropolitan Vickers G1 (Gatric) devient la première turbine à gaz marine lorsqu'elle termine des essais en mer sur le navire MGB 2009 de la Royal Navy . Le Gatric était une turbine à gaz aérodérivée basée sur le moteur à réaction Metropolitan Vickers F2 .
  • 1995 : Siemens devient le premier fabricant de grandes turbines à gaz productrices d'électricité à intégrer la technologie des aubes de turbine monocristallines dans leurs modèles de production, permettant des températures de fonctionnement plus élevées et une plus grande efficacité.
  • 2011 Mitsubishi Heavy Industries teste la première turbine à gaz à cycle combiné à efficacité > 60 % (la M501J) dans son usine de Takasago, Hyōgo.

Théorie de fonctionnement

Dans une turbine à gaz idéale, les gaz subissent quatre processus thermodynamiques : une compression isentropique , une combustion isobare (pression constante), une détente isentropique et un rejet de chaleur. Ensemble, ils forment le cycle de Brayton .

Dans une vraie turbine à gaz, l'énergie mécanique est transformée de manière irréversible (en raison du frottement interne et de la turbulence) en pression et en énergie thermique lorsque le gaz est comprimé (dans un compresseur centrifuge ou axial ). De la chaleur est ajoutée dans la chambre de combustion et le volume spécifique du gaz augmente, accompagné d'une légère perte de pression. Lors de la détente à travers les passages du stator et du rotor dans la turbine, une transformation d'énergie irréversible se produit à nouveau. De l'air frais est aspiré à la place du rejet de chaleur.

Si le moteur a une turbine de puissance ajoutée pour entraîner un générateur industriel ou un rotor d'hélicoptère, la pression de sortie sera aussi proche que possible de la pression d'entrée avec seulement assez d'énergie pour surmonter les pertes de pression dans le conduit d'échappement et expulser l'échappement. Pour un turbopropulseur , il y aura un équilibre particulier entre la puissance de l'hélice et la poussée du jet qui donne le fonctionnement le plus économique. Dans un turboréacteur, seule une pression et une énergie suffisantes sont extraites du flux pour entraîner le compresseur et les autres composants. Les gaz à haute pression restants sont accélérés à travers une buse pour fournir un jet pour propulser un avion.

Plus le moteur est petit, plus la vitesse de rotation de l'arbre doit être élevée pour atteindre la vitesse requise en bout de pale. La vitesse en bout d'aube détermine les rapports de pression maximum pouvant être obtenus par la turbine et le compresseur. Ceci, à son tour, limite la puissance et l'efficacité maximales pouvant être obtenues par le moteur. Pour que la vitesse de pointe reste constante, si le diamètre d'un rotor est réduit de moitié, la vitesse de rotation doit doubler. Par exemple, les gros moteurs à réaction fonctionnent entre 10 000 et 25 000 tr/min, tandis que les microturbines tournent à 500 000 tr/min.

Mécaniquement, les turbines à gaz peuvent être considérablement moins complexes que les moteurs à piston à combustion interne. Les turbines simples peuvent avoir une pièce mobile principale, l'ensemble compresseur/arbre/rotor de turbine (voir l'image ci-dessus), avec d'autres pièces mobiles dans le système de carburant. Ceci, à son tour, peut se traduire par un prix. Par exemple, coûtant 10 000  ℛℳ pour les matériaux, le Jumo 004 s'est avéré moins cher que le moteur à pistons  Junkers 213 , qui était de 35 000 ℛℳ , et n'a nécessité que 375 heures de travail moins qualifié pour terminer (y compris la fabrication, l'assemblage et l'expédition), par rapport à 1 400 pour la BMW 801 . Cependant, cela s'est également traduit par une efficacité et une fiabilité médiocres. Les turbines à gaz plus avancées (telles que celles que l'on trouve dans les moteurs à réaction modernes ou les centrales électriques à cycle combiné) peuvent avoir 2 ou 3 arbres (bobines), des centaines d'aubes de compresseur et de turbine, des aubes de stator mobiles et de vastes tubes externes pour le carburant, l'huile et l'air systèmes ; ils utilisent des alliages résistants à la température et sont fabriqués avec des spécifications strictes nécessitant une fabrication de précision. Tout cela rend souvent la construction d'une simple turbine à gaz plus compliquée que celle d'un moteur à pistons.

De plus, pour atteindre des performances optimales dans les centrales électriques à turbine à gaz modernes, le gaz doit être préparé selon les spécifications exactes du carburant. Les systèmes de conditionnement du gaz combustible traitent le gaz naturel pour atteindre les spécifications exactes du combustible avant d'entrer dans la turbine en termes de pression, de température, de composition du gaz et d'indice de Wobbe associé.

Le principal avantage d'un moteur à turbine à gaz est son rapport poids/puissance. Comme un travail utile important peut être généré par un moteur relativement léger, les turbines à gaz sont parfaitement adaptées à la propulsion des aéronefs.

Les paliers de butée et les paliers lisses sont une partie essentielle d'une conception. Ce sont des paliers à huile hydrodynamiques ou des paliers à roulements refroidis par huile . Les roulements à feuille sont utilisés dans certaines petites machines telles que les micro-turbines et ont également un fort potentiel d'utilisation dans les petites turbines à gaz/ groupes auxiliaires de puissance

Ramper

Un défi majeur auquel est confrontée la conception des turbines, en particulier des aubes de turbine , est de réduire le fluage induit par les températures élevées et les contraintes subies pendant le fonctionnement. Des températures de fonctionnement plus élevées sont continuellement recherchées afin d'augmenter l'efficacité, mais se font au prix de taux de fluage plus élevés. Plusieurs méthodes ont donc été employées pour tenter d'obtenir des performances optimales tout en limitant le fluage, les plus performantes étant les revêtements hautes performances et les superalliages monocristallins . Ces technologies fonctionnent en limitant la déformation qui se produit par des mécanismes qui peuvent être largement classés comme glissement de dislocation, montée de dislocation et flux de diffusion.

Les revêtements de protection assurent l'isolation thermique de la lame et offrent une résistance à l'oxydation et à la corrosion . Les revêtements de barrière thermique (TBC) sont souvent des céramiques stabilisées à base de dioxyde de zirconium et les revêtements résistants à l'oxydation/corrosion (couches de liaison) sont généralement constitués d'aluminures ou d'alliages MCrAlY (où M est généralement Fe et/ou Cr). L'utilisation de TBC limite l'exposition à la température du substrat de superalliage, diminuant ainsi la diffusivité des espèces actives (généralement des lacunes) dans l'alliage et réduisant la dislocation et le fluage des lacunes. Il a été constaté qu'un revêtement de 1 à 200 μm peut réduire les températures de la lame jusqu'à 200 ° C (392 ° F). Les couches de liaison sont directement appliquées sur la surface du substrat à l'aide de la carburation en pack et ont le double objectif de fournir une adhérence améliorée pour le TBC et une résistance à l'oxydation pour le substrat. L'Al des couches de liaison forme Al203 sur l' interface TBC -couche de liaison qui fournit la résistance à l'oxydation, mais entraîne également la formation d'une zone d'interdiffusion (ID) indésirable entre lui-même et le substrat. La résistance à l'oxydation l'emporte sur les inconvénients liés à la zone ID car elle augmente la durée de vie de l'aube et limite les pertes d'efficacité causées par une accumulation à l'extérieur des aubes.

Les superalliages à base de nickel présentent une résistance mécanique et une résistance au fluage améliorées en raison de leur composition et de la microstructure qui en résulte . Le nickel gamma (γ) FCC est allié à l'aluminium et au titane afin de précipiter une dispersion homogène des phases cohérentes Ni 3 (Al,Ti) gamma-prime (γ'). Les précipités γ' finement dispersés entravent le mouvement des dislocations et introduisent une contrainte seuil, augmentant la contrainte nécessaire au début du fluage. De plus, γ' est une phase L1 2 ordonnée qui rend plus difficile le cisaillement des dislocations. D'autres éléments réfractaires tels que le rhénium et le ruthénium peuvent être ajoutés en solution solide pour améliorer la résistance au fluage. L'ajout de ces éléments réduit la diffusion de la phase gamma prime, préservant ainsi la résistance à la fatigue , la résistance mécanique et la résistance au fluage. Le développement de superalliages monocristallins a également conduit à des améliorations significatives de la résistance au fluage. En raison de l'absence de joints de grains, les monocristaux éliminent le fluage de Coble et se déforment par conséquent par moins de modes, ce qui diminue la vitesse de fluage. Bien que les monocristaux aient un fluage plus faible à haute température, ils ont des contraintes d'élasticité nettement inférieures à température ambiante où la résistance est déterminée par la relation Hall-Petch. Des précautions doivent être prises afin d'optimiser les paramètres de conception pour limiter le fluage à haute température tout en ne diminuant pas la limite d'élasticité à basse température.

Les types

Moteurs à réaction

turboréacteur à turbine à gaz à flux axial typique, le J85 , sectionné pour l'affichage. Le débit est de gauche à droite, compresseur multi-étages à gauche, chambres de combustion au centre, turbine à deux étages à droite

Les moteurs à réaction aérobies sont des turbines à gaz optimisées pour produire une poussée à partir des gaz d'échappement ou à partir de ventilateurs carénés reliés aux turbines à gaz. Les moteurs à réaction qui produisent une poussée à partir de l'impulsion directe des gaz d'échappement sont souvent appelés turboréacteurs , tandis que ceux qui génèrent une poussée avec l'ajout d'une soufflante canalisée sont souvent appelés turbosoufflantes ou (rarement) soufflantes.

Les turbines à gaz sont également utilisées dans de nombreuses fusées à carburant liquide , où les turbines à gaz sont utilisées pour alimenter une turbopompe afin de permettre l'utilisation de réservoirs légers à basse pression, réduisant ainsi le poids à vide de la fusée.

Moteurs à turbopropulseurs

Un turbopropulseur est un moteur à turbine qui entraîne une hélice d'avion à l'aide d'un réducteur. Les moteurs à turbopropulseurs sont utilisés sur de petits aéronefs tels que l'aviation générale Cessna 208 Caravan et l'entraîneur militaire Embraer EMB 312 Tucano , des avions de transport de taille moyenne tels que le Bombardier Dash 8 et de gros aéronefs tels que l' Airbus A400M de transport et le 60-year- ancien bombardier stratégique Tupolev Tu-95 .

Turbines à gaz aérodérivées

Un LM6000 dans une application de centrale électrique

Les turbines à gaz aérodérivées sont généralement basées sur des moteurs à turbine à gaz d'avion existants et sont plus petites et plus légères que les turbines à gaz industrielles.

Les aérodérivés sont utilisés dans la production d'énergie électrique en raison de leur capacité à être arrêtés et à gérer les changements de charge plus rapidement que les machines industrielles. Ils sont également utilisés dans l'industrie maritime pour réduire le poids. Les types courants incluent le General Electric LM2500 , le General Electric LM6000 et les versions aérodérivées du Pratt & Whitney PW4000 et du Rolls-Royce RB211 .

Turbines à gaz amateurs

De plus en plus de turbines à gaz sont utilisées ou même construites par des amateurs.

Dans sa forme la plus simple, il s'agit de turbines commerciales acquises grâce à des surplus militaires ou à des ventes à la ferraille, puis exploitées pour être exposées dans le cadre du passe-temps de la collecte de moteurs. Dans sa forme la plus extrême, les amateurs ont même reconstruit des moteurs au-delà de la réparation professionnelle, puis les ont utilisés pour concourir pour le record de vitesse terrestre.

La forme la plus simple de turbine à gaz auto-construite utilise un turbocompresseur automobile comme composant central. Une chambre de combustion est fabriquée et raccordée entre les sections de compresseur et de turbine.

Des turboréacteurs plus sophistiqués sont également construits, où leur poussée et leur légèreté sont suffisantes pour propulser de gros modèles réduits d'avions. La conception de Schreckling construit l'ensemble du moteur à partir de matières premières, y compris la fabrication d'une roue de compresseur centrifuge à partir de contreplaqué, d'époxy et de brins de fibre de carbone enveloppés.

Plusieurs petites entreprises fabriquent maintenant de petites turbines et des pièces pour l'amateur. La plupart des modèles réduits d'avions à turboréacteurs utilisent désormais ces microturbines commerciales et semi-commerciales, plutôt qu'une construction maison de type Schreckling.

Groupes auxiliaires de puissance

Les petites turbines à gaz sont utilisées comme groupes auxiliaires de puissance (APU) pour fournir une puissance auxiliaire à des machines plus grandes et mobiles, telles qu'un avion . Ils fournissent :

  • air comprimé pour la climatisation et la ventilation,
  • puissance de démarrage à air comprimé pour les gros moteurs à réaction ,
  • puissance mécanique (arbre) à une boîte de vitesses pour entraîner des accessoires à arbre ou pour démarrer de gros moteurs à réaction, et
  • électriques, hydrauliques et autres sources de transmission d'énergie vers des appareils consommateurs éloignés de l'APU.

Turbines à gaz industrielles pour la production d'électricité

Gateway Generating Station , une centrale électrique au gaz à cycle combiné en Californie, utilise deux turbines à combustion GE 7F.04 pour brûler du gaz naturel .
Turbine à gaz de production d'électricité série GE H : en configuration à cycle combiné , son rendement thermodynamique le plus élevé est de 62,22 %

Les turbines à gaz industrielles diffèrent des conceptions aéronautiques en ce que les cadres, les roulements et les aubes sont de construction plus lourde. Ils sont également beaucoup plus étroitement intégrés aux appareils qu'ils alimentent - souvent un générateur électrique - et aux équipements d'énergie secondaire utilisés pour récupérer l'énergie résiduelle (essentiellement la chaleur).

Leur taille va des centrales mobiles portables aux grands systèmes complexes pesant plus de cent tonnes hébergés dans des bâtiments construits à cet effet. Lorsque la turbine à gaz est utilisée uniquement pour la puissance de l'arbre, son rendement thermique est d'environ 30 %. Cependant, il peut être moins cher d'acheter de l'électricité que de la produire. Par conséquent, de nombreux moteurs sont utilisés dans des configurations CHP (Combined Heat and Power) qui peuvent être suffisamment petites pour être intégrées dans des configurations de conteneurs portables.

Les turbines à gaz peuvent être particulièrement efficaces lorsque la chaleur résiduelle de la turbine est récupérée par un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) pour alimenter une turbine à vapeur conventionnelle dans une configuration à cycle combiné . Le 605 MW General Electric 9HA a atteint un taux d'efficacité de 62,22% avec des températures aussi élevées que 1 540 ° C (2 800 ° F). Pour 2018, GE propose ses 826 MW HA à plus de 64 % d'efficacité en cycle combiné grâce aux progrès de la fabrication additive et aux percées de la combustion, contre 63,7 % en 2017 et en bonne voie pour atteindre 65 % au début des années 2020. En mars 2018, GE Power a atteint un rendement brut de 63,08 % pour sa turbine 7HA.

Les turbines à gaz aérodérivées peuvent également être utilisées dans des cycles combinés, ce qui conduit à un rendement plus élevé, mais il ne sera pas aussi élevé qu'une turbine à gaz industrielle spécialement conçue. Ils peuvent également fonctionner dans une configuration de cogénération : l'échappement est utilisé pour le chauffage des locaux ou de l'eau, ou entraîne un refroidisseur à absorption pour refroidir l'air d'admission et augmenter la puissance de sortie, technologie connue sous le nom de refroidissement de l'air d'admission de la turbine .

Un autre avantage important est leur capacité à être allumés et éteints en quelques minutes, fournissant de l'énergie pendant les pics de demande ou les demandes imprévues. Étant donné que les centrales électriques à cycle unique (turbine à gaz uniquement) sont moins efficaces que les centrales à cycle combiné, elles sont généralement utilisées comme centrales électriques de pointe , qui fonctionnent de plusieurs heures par jour à quelques dizaines d'heures par an, selon la demande d'électricité et le capacité de production de la région. Dans les zones avec une pénurie de charge de base et de charge suivant la capacité de la centrale électrique ou avec de faibles coûts de carburant, une centrale électrique à turbine à gaz peut fonctionner régulièrement la plupart des heures de la journée. Une grande turbine à gaz à cycle unique produit généralement de 100 à 400 mégawatts d'énergie électrique et a un rendement thermodynamique de 35 à 40 % .

Turbines à gaz industrielles à entraînement mécanique

Les turbines à gaz industrielles qui sont utilisées uniquement pour un entraînement mécanique ou utilisées en collaboration avec un générateur de vapeur de récupération diffèrent des groupes électrogènes en ce qu'elles sont souvent plus petites et présentent une conception à double arbre par opposition à un arbre unique. La gamme de puissance varie de 1 mégawatt à 50 mégawatts. Ces moteurs sont reliés directement ou via une boîte de vitesses à un ensemble pompe ou compresseur. La majorité des installations sont utilisées dans les industries pétrolières et gazières. Les applications d'entraînement mécanique augmentent l'efficacité d'environ 2 %.

Les plates-formes pétrolières et gazières nécessitent que ces moteurs entraînent des compresseurs pour injecter du gaz dans les puits afin de forcer le pétrole à monter via un autre alésage, ou pour comprimer le gaz pour le transport. Ils sont également souvent utilisés pour alimenter la plate-forme. Ces plates-formes n'ont pas besoin d'utiliser le moteur en collaboration avec un système de cogénération en raison de l'obtention du gaz à un coût extrêmement réduit (souvent sans gaz brûlé). Les mêmes entreprises utilisent des ensembles de pompes pour conduire les fluides vers la terre et à travers les pipelines à divers intervalles.

Stockage d'énergie à air comprimé

Un développement moderne cherche à améliorer l'efficacité d'une autre manière, en séparant le compresseur et la turbine avec un réservoir d'air comprimé. Dans une turbine conventionnelle, jusqu'à la moitié de la puissance générée est utilisée pour entraîner le compresseur. Dans une configuration de stockage d'énergie à air comprimé, l'électricité, provenant peut-être d'un parc éolien ou achetée sur le marché libre à une période de faible demande et à bas prix, est utilisée pour entraîner le compresseur et l'air comprimé libéré pour faire fonctionner la turbine en cas de besoin.

Moteurs à turbomoteur

Les turbomoteurs sont utilisés pour entraîner les compresseurs dans les stations de pompage de gaz et les usines de liquéfaction de gaz naturel. Ils sont également utilisés pour propulser tous les hélicoptères modernes, sauf les plus petits. Un arbre primaire porte le compresseur et sa turbine qui, avec une chambre de combustion, s'appelle un générateur de gaz . Une turbine de puissance à rotation séparée est généralement utilisée pour entraîner le rotor des hélicoptères. Permettre au générateur de gaz et à la turbine/rotor de puissance de tourner à leur propre vitesse permet une plus grande flexibilité dans leur conception.

Turbines à gaz radiales

Moteurs à réaction à l'échelle

Les moteurs à réaction à l'échelle sont des versions réduites de ce premier moteur à grande échelle

Aussi appelées turbines à gaz miniatures ou micro-jets.

Dans cet esprit, le pionnier des micro-jets modernes, Kurt Schreckling , a produit l'une des premières micro-turbines au monde, la FD3/67. Ce moteur peut produire jusqu'à 22 newtons de poussée et peut être construit par la plupart des personnes à l'esprit mécanique avec des outils d'ingénierie de base, comme un tour à métaux .

Microturbines

Issus des turbocompresseurs de moteurs à pistons , des APU d'avions ou des petits moteurs à réaction , les microturbines sont des turbines de 25 à 500 kilowatts de la taille d'un réfrigérateur . Les microturbines ont des rendements de l'ordre de 15% sans récupérateur , 20 à 30% avec un et elles peuvent atteindre 85% de rendement combiné thermoélectrique en cogénération .

Combustion externe

La plupart des turbines à gaz sont des moteurs à combustion interne, mais il est également possible de fabriquer une turbine à gaz à combustion externe qui est, en fait, une version turbine d'un moteur à air chaud . Ces systèmes sont généralement désignés par EFGT (turbine à gaz à combustion externe) ou IFGT (turbine à gaz à combustion indirecte).

La combustion externe a été utilisée dans le but d'utiliser du charbon pulvérisé ou de la biomasse finement broyée (comme la sciure de bois) comme combustible. Dans le système indirect, un échangeur de chaleur est utilisé et seul de l'air propre sans produits de combustion traverse la turbine de puissance. L' efficacité thermique est plus faible dans le type de combustion externe indirecte ; cependant, les aubes de turbine ne sont pas soumises aux produits de combustion et des carburants de bien moindre qualité (et donc moins chers) peuvent être utilisés.

Lorsque la combustion externe est utilisée, il est possible d'utiliser l'air d'échappement de la turbine comme air de combustion primaire. Cela réduit efficacement les pertes de chaleur globales, bien que les pertes de chaleur associées aux gaz d'échappement de la combustion restent inévitables.

Les turbines à gaz à cycle fermé basées sur l'hélium ou le dioxyde de carbone supercritique sont également prometteuses pour une utilisation future dans la production d'énergie solaire et nucléaire à haute température.

Dans les véhicules de surface

Les turbines à gaz sont souvent utilisées sur les navires , les locomotives , les hélicoptères , les chars et, dans une moindre mesure, sur les voitures, les bus et les motos.

Un avantage clé des jets et des turbopropulseurs pour la propulsion des avions - leurs performances supérieures à haute altitude par rapport aux moteurs à pistons, en particulier ceux à aspiration naturelle - n'est pas pertinent dans la plupart des applications automobiles. Leur avantage poids/puissance, bien que moins critique que pour les avions, est tout de même important.

Les turbines à gaz offrent un moteur de grande puissance dans un boîtier très petit et léger. Cependant, ils ne sont pas aussi réactifs et efficaces que les petits moteurs à pistons sur la large plage de régimes et de puissances nécessaires dans les applications automobiles. Dans les véhicules hybrides de série , comme les moteurs électriques moteurs sont mécaniquement désolidarisés du moteur générateur d'électricité, les problèmes de réactivité, de mauvaises performances à bas régime et de faible rendement à bas rendement sont beaucoup moins importants. La turbine peut fonctionner à une vitesse optimale pour sa puissance de sortie, et les batteries et les supercondensateurs peuvent fournir de l'énergie selon les besoins, le moteur étant activé et désactivé pour le faire fonctionner uniquement à haut rendement. L'émergence de la transmission à variation continue peut également atténuer le problème de réactivité.

Les turbines ont toujours été plus chères à produire que les moteurs à pistons, bien que cela soit en partie dû au fait que les moteurs à pistons ont été produits en masse en quantités énormes pendant des décennies, tandis que les petits moteurs à turbine à gaz sont rares; cependant, les turbines sont produites en série sous la forme étroitement liée du turbocompresseur .

Le turbocompresseur est essentiellement une turbine à gaz radiale à arbre libre compacte et simple qui est entraînée par les gaz d'échappement du moteur à pistons . La roue de turbine centripète entraîne une roue de compresseur centrifuge à travers un arbre rotatif commun. Cette roue suralimente l'admission d'air du moteur à un degré qui peut être contrôlé au moyen d'une soupape de décharge ou en modifiant dynamiquement la géométrie du carter de turbine (comme dans un turbocompresseur à géométrie variable ). Il sert principalement de dispositif de récupération d'énergie qui convertit une grande partie de l'énergie thermique et cinétique autrement gaspillée en suralimentation du moteur.

Les moteurs turbo-composés (en fait utilisés sur certains camions semi-remorques ) sont équipés de turbines de purge qui sont similaires dans leur conception et leur apparence à un turbocompresseur, à l'exception du fait que l'arbre de la turbine est relié mécaniquement ou hydrauliquement au vilebrequin du moteur au lieu d'un compresseur centrifuge , fournissant ainsi une puissance supplémentaire au lieu d'un boost. Alors que le turbocompresseur est une turbine de pression, une turbine de récupération de puissance est une turbine de vitesse.

Véhicules routiers de tourisme (voitures, vélos et autobus)

Un certain nombre d'expériences ont été menées avec des automobiles à turbine à gaz , la plus grande de Chrysler . Plus récemment, il y a eu un certain intérêt pour l'utilisation de moteurs à turbine pour les voitures électriques hybrides. Par exemple, un consortium dirigé par la société de micro-turbines à gaz Bladon Jets a obtenu un investissement du Technology Strategy Board pour développer un prolongateur d'autonomie ultraléger (ULRE) pour les véhicules électriques de nouvelle génération. L'objectif du consortium, qui comprend le constructeur de voitures de luxe Jaguar Land Rover et le leader des machines électriques SR Drives, est de produire le premier générateur à turbine à gaz commercialement viable et respectueux de l'environnement conçu spécifiquement pour les applications automobiles.

Le turbocompresseur commun aux moteurs à essence ou diesel est également un dérivé de la turbine.

Concept-cars

Le Rover JET1 de 1950

La première enquête sérieuse sur l'utilisation d'une turbine à gaz dans les voitures a eu lieu en 1946 lorsque deux ingénieurs, Robert Kafka et Robert Engerstein de Carney Associates, une société d'ingénierie new-yorkaise, ont proposé le concept selon lequel une conception unique de moteur à turbine compacte fournirait de l'énergie pour un voiture à traction arrière. Après la parution d'un article dans Popular Science , il n'y a pas eu d'autres travaux, au-delà du stade papier.

En 1950, le designer FR Bell et l'ingénieur en chef Maurice Wilks du constructeur automobile britannique Rover ont dévoilé la première voiture équipée d'un moteur à turbine à gaz. Le JET1 biplace avait le moteur placé derrière les sièges, des grilles d'admission d'air de chaque côté de la voiture et des sorties d'échappement sur le dessus de la queue. Lors des tests, la voiture a atteint des vitesses de pointe de 140 km/h (87 mph), à une vitesse de turbine de 50 000 tr/min. La voiture fonctionnait à l' essence , à la paraffine (kérosène) ou au gazole , mais les problèmes de consommation de carburant s'avéraient insurmontables pour une voiture de série. Il est exposé au London Science Museum .

Une voiture française à turbine, la SOCEMA-Grégoire, a été exposée au Salon de l'auto de Paris en octobre 1952 . Il a été conçu par l'ingénieur français Jean-Albert Grégoire .

La première voiture à turbine construite aux États-Unis était la GM Firebird I qui a commencé les évaluations en 1953. Alors que les photos de la Firebird I peuvent suggérer que la poussée de la turbine à réaction propulsait la voiture comme un avion, la turbine entraînait en fait les roues arrière. La Firebird 1 n'a jamais été conçue comme une voiture de tourisme commerciale et a été construite uniquement à des fins de test et d'évaluation ainsi qu'à des fins de relations publiques.

Compartiment moteur d'une voiture Chrysler 1963 Turbine

À partir de 1954 avec une Plymouth modifiée , le constructeur automobile américain Chrysler a présenté plusieurs prototypes de voitures à turbine à gaz du début des années 1950 au début des années 1980. Chrysler a construit cinquante Chrysler Turbine Cars en 1963 et a mené le seul essai auprès des consommateurs de voitures à turbine à gaz. Chacune de leurs turbines utilisait un récupérateur rotatif unique , appelé régénérateur, qui augmentait l'efficacité.

En 1954 , Fiat a dévoilé un concept-car avec un moteur à turbine, appelé Fiat Turbina . Ce véhicule, ressemblant à un avion avec des roues, utilisait une combinaison unique de poussée à réaction et de moteur entraînant les roues. Des vitesses de 282 km / h (175 mph) ont été revendiquées.

La Firebird originale de General Motors était une série de voitures conceptuelles développées pour les salons automobiles Motorama de 1953, 1956 et 1959 , propulsées par des turbines à gaz.

Dans les années 1960, Ford et GM développaient des semi-remorques à turbine à gaz. L'un de ces camions concept était connu sous le nom de Big Red. Avec la remorque, elle mesurait 29 m (96 pi) de long et 4,0 m (13 pi) de haut et était peinte en rouge cramoisi. Il contenait le moteur à turbine à gaz développé par Ford, avec 450 kW (600 ch) et 1160 N⋅m (855 lb⋅ft). Le taxi se vantait d'une carte routière du continent américain, d'une mini-cuisine, d'une salle de bain et d'une télévision pour le copilote. Le sort du camion était inconnu pendant plusieurs décennies, mais il a été redécouvert début 2021 entre des mains privées, après avoir été remis en état de marche.

À la suite des amendements de la loi américaine sur la qualité de l'air de 1970, des recherches ont été financées pour développer la technologie des turbines à gaz automobiles. Les concepts de conception et les véhicules ont été réalisés par Chrysler , General Motors , Ford (en collaboration avec AiResearch ) et American Motors (en collaboration avec Williams Research ). Des tests à long terme ont été menés pour évaluer une rentabilité comparable. Plusieurs AMC Hornet étaient propulsés par une petite turbine à gaz régénérative Williams pesant 250 lb (113 kg) et produisant 80 ch (60 kW; 81 PS) à 4450 tr / min.

Toyota a présenté plusieurs concept-cars à turbine à gaz, tels que la Century hybride à turbine à gaz en 1975, la Sports 800 Gas Turbine Hybrid en 1979 et la GTV en 1985. Aucun véhicule de série n'a été fabriqué. Le moteur GT24 a été exposé en 1977 sans véhicule.

Au début des années 1990, Volvo a présenté le Volvo ECC , un véhicule électrique hybride à turbine à gaz .

En 1993 , General Motors a lancé le premier véhicule hybride commercial à turbine à gaz - en tant que série de production limitée de l' hybride de la série EV-1 . Une turbine Williams International de 40 kW entraînait un alternateur qui alimentait le groupe motopropulseur électrique à batterie . La conception de la turbine comprenait un récupérateur. En 2006, GM s'est lancé dans le projet de voiture concept EcoJet avec Jay Leno .

Au Mondial de l'Automobile de Paris 2010, Jaguar a présenté son concept-car Jaguar C-X75 . Cette supercar à propulsion électrique a une vitesse de pointe de 204 mph (328 km/h) et peut passer de 0 à 62 mph (0 à 100 km/h) en 3,4 secondes. Il utilise des batteries lithium-ion pour alimenter quatre moteurs électriques qui se combinent pour produire 780 ch. Il parcourra 68 miles (109 km) avec une seule charge des batteries et utilise une paire de micro-turbines à gaz Bladon pour recharger les batteries, étendant la portée à 560 miles (900 km).

Voitures de courses

Le STP Oil Treatment Special de 1967 exposé au Indianapolis Motor Speedway Hall of Fame Museum, avec la turbine à gaz Pratt & Whitney illustrée
Une Howmet TX de 1968 , la seule voiture de course à turbine à avoir remporté une course

La première voiture de course (dans le concept uniquement) équipée d'une turbine a été réalisée en 1955 par un groupe de l'US Air Force dans le cadre d'un projet de loisir avec une turbine prêtée par Boeing et une voiture de course appartenant à la société Firestone Tire & Rubber. Rover et l' équipe de Formule 1 BRM ont uni leurs forces pour produire le Rover-BRM , un coupé à turbine à gaz, qui a participé aux 24 Heures du Mans 1963 , piloté par Graham Hill et Richie Ginther . Il roulait en moyenne à 107,8 mph (173,5 km/h) et avait une vitesse de pointe de 142 mph (229 km/h). L'Américain Ray Heppenstall a rejoint Howmet Corporation et McKee Engineering pour développer leur propre voiture de sport à turbine à gaz en 1968, la Howmet TX , qui a couru plusieurs épreuves américaines et européennes, dont deux victoires, et a également participé aux 24 Heures du Mans 1968 . Les voitures utilisaient des turbines à gaz Continental , qui ont finalement établi six records de vitesse au sol FIA pour les voitures à turbine.

Pour les courses à roues ouvertes , la révolutionnaire STP-Paxton Turbocar de 1967 alignée par la légende de la course et de l'entrepreneuriat Andy Granatelli et conduite par Parnelli Jones a failli remporter l' Indianapolis 500 ; la voiture à turbine Pratt & Whitney ST6B-62 avait presque un tour d'avance sur la voiture de deuxième place lorsqu'un roulement de boîte de vitesses a échoué à seulement trois tours de la ligne d'arrivée. L'année suivante, la voiture à turbine STP Lotus 56 a remporté la pole position des 500 miles d'Indianapolis, même si de nouvelles règles limitaient considérablement l'admission d'air. En 1971 , le directeur de Team Lotus , Colin Chapman , a présenté la voiture Lotus 56B F1, propulsée par une turbine à gaz Pratt & Whitney STN 6/76 . Chapman avait la réputation de construire des voitures radicales gagnantes du championnat, mais a dû abandonner le projet car il y avait trop de problèmes de décalage du turbo .

Les autobus

L'arrivée de la turbine Capstone a conduit à plusieurs conceptions de bus hybrides, à commencer par HEV-1 par AVS de Chattanooga, Tennessee en 1999, et suivi de près par Ebus et ISE Research en Californie, et DesignLine Corporation en Nouvelle-Zélande (et plus tard aux États-Unis). États). Les hybrides à turbine AVS étaient en proie à des problèmes de fiabilité et de contrôle de la qualité, ce qui a entraîné la liquidation d'AVS en 2003. La conception la plus réussie de Designline est désormais exploitée dans 5 villes de 6 pays, avec plus de 30 bus en service dans le monde et une commande de plusieurs centaines. livré à Baltimore et à New York.

Brescia Italie utilise des bus hybrides en série alimentés par des microturbines sur des itinéraires à travers les quartiers historiques de la ville.

motocyclettes

La MTT Turbine Superbike est apparue en 2000 (d'où la désignation de Y2K Superbike par MTT) et est la première moto de série propulsée par un moteur à turbine - en particulier, un turbomoteur Rolls-Royce Allison modèle 250, produisant environ 283 kW (380 ch). Testée à 365 km/h ou 227 mph (selon certaines histoires, l'équipe de test a manqué de route pendant le test), elle détient le record du monde Guinness de la moto de production la plus puissante et de la moto de production la plus chère, avec une étiquette de prix de 185 000 USD.

Les trains

Plusieurs classes de locomotives ont été propulsées par des turbines à gaz, la plus récente étant le JetTrain de Bombardier .

réservoirs

Les Marines du 1er bataillon de chars chargent une turbine multi-combustible Honeywell AGT1500 dans un char M1 Abrams au Camp Coyote, au Koweït, en février 2003

La division de développement du Troisième Reich Wehrmacht Heer , le Heereswaffenamt (Army Ordnance Board), a étudié un certain nombre de conceptions de moteurs à turbine à gaz à utiliser dans les réservoirs à partir de la mi-1944. La première conception de moteur à turbine à gaz destinée à être utilisée dans la propulsion de véhicules de combat blindés, la GT 101 basée sur BMW 003 , était destinée à être installée dans le char Panther .

La deuxième utilisation d'une turbine à gaz dans un véhicule de combat blindé remonte à 1954 lorsqu'une unité, PU2979, spécifiquement développée pour les chars par CA Parsons and Company , a été installée et testée dans un char britannique Conqueror . Le Stridsvagn 103 a été développé dans les années 1950 et a été le premier char de combat principal produit en série à utiliser un moteur à turbine, le Boeing T50 . Depuis lors, les moteurs à turbine à gaz ont été utilisés comme unités de puissance auxiliaires dans certains chars et comme centrales électriques principales dans les chars T-80 soviétiques/russes et les chars américains M1 Abrams , entre autres. Ils sont plus légers et plus petits que les moteurs diesel à la même puissance soutenue, mais les modèles installés à ce jour sont moins économes en carburant que le diesel équivalent, en particulier au ralenti, nécessitant plus de carburant pour atteindre la même autonomie de combat. Les modèles successifs de M1 ont résolu ce problème avec des batteries ou des générateurs secondaires pour alimenter les systèmes du réservoir à l'arrêt, économisant du carburant en réduisant la nécessité de faire tourner la turbine principale au ralenti. Les T-80 peuvent monter trois grands fûts de carburant externes pour étendre leur autonomie. La Russie a arrêté la production du T-80 au profit du T-90 à moteur diesel (basé sur le T-72 ), tandis que l'Ukraine a développé les T-80UD et T-84 à moteur diesel avec presque la puissance du gaz. -réservoir de turbine. Le groupe motopropulseur diesel du char Leclerc français est doté du système de suralimentation hybride "Hyperbar", où le turbocompresseur du moteur est complètement remplacé par une petite turbine à gaz qui fonctionne également comme un turbocompresseur d'échappement diesel assisté, permettant un contrôle du niveau de suralimentation indépendant du régime du moteur et un plus haut pression de suralimentation maximale à atteindre (qu'avec les turbocompresseurs ordinaires). Ce système permet d'utiliser un moteur de plus petite cylindrée et plus léger comme centrale électrique du réservoir et supprime efficacement le décalage du turbo . Cette turbine à gaz/turbocompresseur spéciale peut également fonctionner indépendamment du moteur principal comme un APU ordinaire.

Une turbine est théoriquement plus fiable et plus facile à entretenir qu'un moteur à piston car elle a une construction plus simple avec moins de pièces mobiles, mais en pratique, les pièces de la turbine subissent un taux d'usure plus élevé en raison de leurs vitesses de travail plus élevées. Les aubes de turbine sont très sensibles à la poussière et au sable fin, de sorte que dans les opérations dans le désert, les filtres à air doivent être installés et changés plusieurs fois par jour. Un filtre mal installé, ou une balle ou un fragment d'obus qui perfore le filtre, peut endommager le moteur. Les moteurs à pistons (surtout s'ils sont turbocompressés) ont également besoin de filtres bien entretenus, mais ils sont plus résistants si le filtre tombe en panne.

Comme la plupart des moteurs diesel modernes utilisés dans les réservoirs, les turbines à gaz sont généralement des moteurs multicarburants.

Applications marines

Naval

La turbine à gaz de MGB 2009

Les turbines à gaz sont utilisées dans de nombreux navires de guerre , où elles sont appréciées pour leur rapport puissance / poids élevé et l'accélération et la capacité de leurs navires à démarrer rapidement.

Le premier navire naval propulsé par une turbine à gaz était le Motor Gun Boat MGB 2009 (anciennement MGB 509) de la Royal Navy converti en 1947. Metropolitan - Vickers a équipé son moteur à réaction F2/3 d'une turbine de puissance. Le Steam Gun Boat Grey Goose a été converti en turbines à gaz Rolls-Royce en 1952 et a fonctionné comme tel à partir de 1953. Les bateaux de patrouille rapides de classe Bold Bold Pioneer et Bold Pathfinder construits en 1953 ont été les premiers navires créés spécifiquement pour la propulsion par turbine à gaz.

Les premiers navires à grande échelle, partiellement propulsés par des turbines à gaz, étaient les frégates Type 81 (classe Tribal) de la Royal Navy avec des centrales électriques à vapeur et à gaz combinées . Le premier, le HMS  Ashanti a été mis en service en 1961.

La marine allemande a lancé la première frégate de classe Köln en 1961 avec 2 turbines à gaz Brown, Boveri & Cie dans le premier système de propulsion combiné diesel et gaz au monde.

La marine soviétique a commandé en 1962 le premier des 25 destroyers de classe Kashin avec 4 turbines à gaz dans un système de propulsion combiné à gaz et à gaz . Ces navires utilisaient 4 turbines à gaz M8E, qui produisaient 54 000 à 72 000 kW (72 000 à 96 000 ch). Ces navires ont été les premiers grands navires au monde à être propulsés uniquement par des turbines à gaz.

Projet 61 grand navire ASW, destroyer de classe Kashin

La marine danoise avait 6 torpilleurs de classe Søløven (la version d'exportation du patrouilleur rapide de classe Brave britannique ) en service de 1965 à 1990, qui avaient 3 turbines à gaz marines Bristol Proteus (plus tard RR Proteus) d'une puissance de 9 510 kW (12 750 shp ) combinés, plus deux moteurs diesel General Motors , évalués à 340 kW (460 shp), pour une meilleure économie de carburant à des vitesses plus lentes. Et ils ont également produit 10 bateaux torpilleurs / missiles guidés de classe Willemoes (en service de 1974 à 2000) qui avaient 3 turbines à gaz Rolls Royce Marine Proteus également évaluées à 9 510 kW (12 750 shp), comme les bateaux de classe Søløven, et 2 généraux Moteurs Moteurs diesel, évalués à 600 kW (800 shp), également pour une meilleure économie de carburant à basse vitesse.

La marine suédoise a produit 6 torpilleurs de classe Spica entre 1966 et 1967 propulsés par 3 turbines Bristol Siddeley Proteus 1282 , chacune délivrant 3 210 kW (4 300 shp). Ils ont ensuite été rejoints par 12 navires de classe Norrköping améliorés, toujours avec les mêmes moteurs. Avec leurs tubes lance-torpilles arrière remplacés par des missiles antinavires, ils ont servi de bateaux lance-missiles jusqu'à ce que le dernier soit retiré en 2005.

La marine finlandaise a commandé deux corvettes de classe Turunmaa , Turunmaa et Karjala , en 1968. Elles étaient équipées d'une turbine à gaz Rolls-Royce Olympus TM1 de 16 410 kW (22 000 shp) et de trois diesels marins Wärtsilä pour des vitesses plus lentes. C'étaient les navires les plus rapides de la marine finlandaise; ils atteignaient régulièrement des vitesses de 35 nœuds, et 37,3 nœuds lors des essais en mer. Les Turunmaa ont été mis hors service en 2002. Karjala est aujourd'hui un navire-musée à Turku , et Turunmaa sert d'atelier d'usinage flottant et de navire-école pour le Satakunta Polytechnical College.

La série suivante de grands navires de guerre était les quatre destroyers canadiens de classe Iroquois transportant des hélicoptères mis en service pour la première fois en 1972. Ils utilisaient des moteurs de propulsion principaux de 2 pi 4, des moteurs de croisière de 2 pi 12 et 3 générateurs Solar Saturn de 750 kW.

Une turbine à gaz LM2500 sur USS  Ford

Le premier navire américain propulsé par une turbine à gaz était le Point Thatcher des garde-côtes américains , un cutter mis en service en 1961 qui était propulsé par deux turbines de 750 kW (1 000 shp) utilisant des hélices à pas variable. Les plus grands coupeurs à haute endurance de classe Hamilton ont été la première classe de coupeurs plus grands à utiliser des turbines à gaz, dont la première ( USCGC  Hamilton ) a été mise en service en 1967. Depuis lors, ils ont propulsé les frégates de classe Oliver Hazard Perry de l'US Navy . Des destroyers de classe Spruance et Arleigh Burke et des croiseurs lance -missiles de classe Ticonderoga . L' USS  Makin Island , un navire d'assaut amphibie modifié de classe Wasp , sera le premier navire d'assaut amphibie de la Marine propulsé par des turbines à gaz. La turbine à gaz marine fonctionne dans une atmosphère plus corrosive en raison de la présence de sel marin dans l'air et le carburant et de l'utilisation de carburants moins chers.

Maritime civile

Jusqu'à la fin des années 1940, une grande partie des progrès sur les turbines à gaz marines dans le monde entier ont eu lieu dans les bureaux d'études et les ateliers des constructeurs de moteurs et les travaux de développement ont été menés par la Royal Navy britannique et d'autres marines. Alors que l'intérêt pour la turbine à gaz à des fins marines, à la fois navales et commerciales, a continué d'augmenter, le manque de disponibilité des résultats de l'expérience d'exploitation sur les premiers projets de turbines à gaz a limité le nombre de nouvelles entreprises sur des navires commerciaux de haute mer.

En 1951, le pétrolier diesel-électrique Auris , 12 290 tonnage de port en lourd (DWT) a été utilisé pour acquérir une expérience d'exploitation avec une turbine à gaz de propulsion principale dans des conditions de service en mer et est ainsi devenu le premier navire marchand océanique à être propulsé par un gaz turbine. Construit par Hawthorn Leslie à Hebburn-on-Tyne , au Royaume-Uni, conformément aux plans et spécifications établis par l' Anglo-Saxon Petroleum Company et lancé le jour du 21e anniversaire de la princesse Elizabeth du Royaume-Uni en 1947, le navire a été conçu avec une salle des machines aménagement qui permettrait l'utilisation expérimentale de fioul lourd dans l'un de ses moteurs à grande vitesse, ainsi que la future substitution d'un de ses moteurs diesel par une turbine à gaz. L' Auris a fonctionné commercialement comme pétrolier pendant trois ans et demi avec une unité de propulsion diesel-électrique telle que mise en service à l'origine, mais en 1951, l'un de ses quatre moteurs diesel de 824 kW (1105 ch) - connus sous le nom de " Faith " , "Hope", "Charity" et "Prudence" - a été remplacé par le premier moteur à turbine à gaz marin au monde, un turbo-alternateur à gaz à cycle ouvert de 890 kW (1 200 ch) construit par la British Thompson-Houston Company à Rugby . Après des essais en mer réussis au large de la côte de Northumbrie, l' Auris a quitté Hebburn-on-Tyne en octobre 1951 à destination de Port Arthur aux États-Unis, puis de Curaçao dans le sud des Caraïbes, revenant à Avonmouth après 44 jours en mer, complétant avec succès sa trans historique -Traversée de l'Atlantique. Pendant ce temps en mer, la turbine à gaz brûlait du carburant diesel et fonctionnait sans arrêt involontaire ni difficulté mécanique d'aucune sorte. Elle a ensuite visité Swansea, Hull, Rotterdam , Oslo et Southampton couvrant un total de 13 211 miles nautiques. L' Auris a ensuite fait remplacer toutes ses centrales électriques par une turbine à gaz à couplage direct de 3 910 kW (5 250 shp) pour devenir le premier navire civil à fonctionner uniquement à l'énergie d'une turbine à gaz.

Malgré le succès de ce premier voyage expérimental, la turbine à gaz n'a pas remplacé le moteur diesel comme système de propulsion des grands navires marchands. À vitesse de croisière constante, le moteur diesel n'avait tout simplement pas d'égal dans le domaine vital de l'économie de carburant. La turbine à gaz a eu plus de succès sur les navires de la Royal Navy et les autres flottes navales du monde où des changements de vitesse soudains et rapides sont requis par les navires de guerre en action.

La Commission maritime des États-Unis recherchait des options pour mettre à jour les navires Liberty de la Seconde Guerre mondiale , et les turbines à gaz à usage intensif étaient l'une de celles sélectionnées. En 1956, le John Sergeant a été allongé et équipé d'une turbine à gaz HD General Electric de 4 900 kW (6 600 shp) avec régénération des gaz d'échappement, réducteur et hélice à pas variable . Il a fonctionné pendant 9 700 heures en utilisant du combustible résiduel ( Bunker C ) pendant 7 000 heures. Le rendement énergétique était comparable à celui de la propulsion à vapeur à 0,318 kg / kW (0,523 lb / ch) par heure, et la puissance de sortie était plus élevée que prévu à 5603 kW (7514 shp) en raison de la température ambiante de la route de la mer du Nord étant inférieure à la température de conception de la turbine à gaz. Cela a donné au navire une capacité de vitesse de 18 nœuds, contre 11 nœuds avec la centrale électrique d'origine, et bien au-delà des 15 nœuds ciblés. Le navire a effectué sa première traversée transatlantique à une vitesse moyenne de 16,8 nœuds, malgré quelques intempéries en cours de route. Le carburant de soute C approprié n'était disponible que dans des ports limités car la qualité du carburant était de nature critique. Le mazout devait également être traité à bord pour réduire les contaminants et il s'agissait d'un processus à forte intensité de main-d'œuvre qui n'était pas adapté à l'automatisation à l'époque. En fin de compte, l'hélice à pas variable, qui était d'une conception nouvelle et non testée, a mis fin à l'essai, car trois inspections annuelles consécutives ont révélé une fissuration sous contrainte. Cependant, cela n'a pas mal reflété le concept de turbine à gaz à propulsion marine, et l'essai a été un succès dans l'ensemble. Le succès de cet essai a ouvert la voie à d'autres développements par GE sur l'utilisation de turbines à gaz HD pour une utilisation marine avec des fiouls lourds. Le John Sergeant a été mis au rebut en 1972 à Portsmouth PA.

Boeing Jetfoil 929-100-007 Urzela de TurboJET

Boeing a lancé son premier Boeing 929 , hydroptère propulsé par hydrojet transportant des passagers , en avril 1974. Ces navires étaient propulsés par deux turbines à gaz Allison 501 -KF .

Entre 1971 et 1981, Seatrain Lines a exploité un service régulier de conteneurs entre les ports de la côte est des États-Unis et les ports du nord-ouest de l'Europe à travers l'Atlantique Nord avec quatre porte-conteneurs de 26 000 tonnes DWT. Ces navires étaient propulsés par des turbines à gaz jumelles Pratt & Whitney de la série FT 4. Les quatre navires de la classe ont été nommés Euroliner , Eurofreighter , Asialiner et Asiafreighter . À la suite des augmentations spectaculaires des prix de l'Organisation des pays exportateurs de pétrole (OPEP) au milieu des années 1970, les opérations ont été limitées par la hausse des coûts du carburant. Certaines modifications des systèmes de moteurs de ces navires ont été entreprises pour permettre la combustion d'un carburant de qualité inférieure (c'est-à-dire du diesel marin ). La réduction des coûts de carburant a été couronnée de succès en utilisant un carburant différent non testé dans une turbine à gaz marine, mais les coûts de maintenance ont augmenté avec le changement de carburant. Après 1981, les navires ont été vendus et réaménagés avec des moteurs diesel plus économiques à l'époque, mais l'augmentation de la taille des moteurs a réduit l'espace de chargement.

Le premier ferry pour passagers à utiliser une turbine à gaz a été le GTS Finnjet , construit en 1977 et propulsé par deux turbines Pratt & Whitney FT 4C-1 DLF, générant 55 000 kW (74 000 shp) et propulsant le navire à une vitesse de 31 nœuds. Cependant, le Finnjet a également illustré les lacunes de la propulsion par turbine à gaz dans les bateaux commerciaux, car les prix élevés du carburant rendaient son exploitation non rentable. Après quatre ans de service, des moteurs diesel supplémentaires ont été installés sur le navire pour réduire les coûts de fonctionnement pendant la morte-saison. Le Finnjet a également été le premier navire à propulsion combinée diesel-électrique et gaz . Un autre exemple d'utilisation commerciale de turbines à gaz dans un navire à passagers est celui des ferries rapides de classe HSS de Stena Line . Les navires Stena Explorer , Stena Voyager et Stena Discovery de classe HSS 1500 utilisent des configurations combinées de gaz et de gaz de la puissance jumelle GE LM2500 plus GE LM1600 pour un total de 68 000 kW (91 000 shp). Le Stena Carisma de classe HSS 900 légèrement plus petit utilise des turbines jumelles ABB - STAL GT35 d'une puissance brute de 34 000 kW (46 000 shp). Le Stena Discovery a été retiré du service en 2007, une autre victime des coûts de carburant trop élevés.

En juillet 2000, le Millennium est devenu le premier navire de croisière à être propulsé à la fois par des turbines à gaz et à vapeur. Le navire comportait deux générateurs à turbine à gaz General Electric LM2500 dont la chaleur d'échappement était utilisée pour faire fonctionner un générateur à turbine à vapeur dans une configuration COGES (gaz électrique et vapeur combinés). La propulsion était assurée par deux modules d'azimut Rolls-Royce Mermaid à entraînement électrique. Le paquebot RMS Queen Mary 2 utilise une configuration combinée diesel et gaz.

Dans les applications de course marine, le catamaran Mystic Miss GEICO 2010 C5000 utilise deux turbines Lycoming T-55 pour son système d'alimentation.

Progrès de la technologie

La technologie des turbines à gaz n'a cessé de progresser depuis sa création et continue d'évoluer. Le développement produit activement à la fois des turbines à gaz plus petites et des moteurs plus puissants et efficaces. La conception assistée par ordinateur (en particulier la dynamique des fluides computationnelle et l' analyse par éléments finis ) et le développement de matériaux avancés contribuent à ces avancées : matériaux de base avec une résistance supérieure à haute température (par exemple, des superalliages monocristallins qui présentent une anomalie de limite d'élasticité ) ou une barrière thermique des revêtements qui protègent le matériau structurel des températures toujours plus élevées. Ces progrès permettent des taux de compression et des températures d'entrée de turbine plus élevés, une combustion plus efficace et un meilleur refroidissement des pièces du moteur.

La dynamique des fluides computationnelle (CFD) a contribué à des améliorations substantielles des performances et de l'efficacité des composants des moteurs à turbine à gaz grâce à une meilleure compréhension des phénomènes complexes d'écoulement visqueux et de transfert de chaleur impliqués. Pour cette raison, la CFD est l'un des principaux outils de calcul utilisés dans la conception et le développement de moteurs à turbine à gaz.

Les rendements à cycle simple des premières turbines à gaz ont été pratiquement doublés en incorporant le refroidissement intermédiaire, la régénération (ou la récupération) et le réchauffage. Ces améliorations, bien sûr, se font au prix d'une augmentation des coûts initiaux et d'exploitation, et elles ne peuvent être justifiées que si la diminution des coûts du carburant compense l'augmentation des autres coûts. Les prix relativement bas du carburant, le désir général de l'industrie de minimiser les coûts d'installation et l'énorme augmentation de l'efficacité du cycle simple à environ 40% laissaient peu de désir d'opter pour ces modifications.

Du côté des émissions, le défi consiste à augmenter les températures d'entrée de la turbine tout en réduisant la température maximale de la flamme afin de réduire les émissions de NOx et de respecter les dernières réglementations en matière d'émissions. En mai 2011, Mitsubishi Heavy Industries a atteint une température d'entrée de turbine de 1 600 ° C sur une turbine à gaz de 320 mégawatts et 460 MW dans des applications de production d'électricité à cycle combiné à turbine à gaz dans lesquelles l'efficacité thermique brute dépasse 60%.

Des roulements à feuille conformes ont été introduits commercialement dans les turbines à gaz dans les années 1990. Ceux-ci peuvent supporter plus de cent mille cycles de démarrage/arrêt et ont éliminé le besoin d'un système d'huile. L'application de la microélectronique et de la technologie de commutation de puissance a permis le développement d'une production d'électricité commercialement viable par microturbines pour la distribution et la propulsion des véhicules.

Avantages et inconvénients

Voici les avantages et les inconvénients des moteurs à turbine à gaz :

Avantages

  • Rapport puissance/poids très élevé par rapport aux moteurs alternatifs.
  • Plus petit que la plupart des moteurs alternatifs de même puissance nominale.
  • Une rotation douce de l'arbre principal produit beaucoup moins de vibrations qu'un moteur alternatif.
  • Moins de pièces mobiles que les moteurs alternatifs, ce qui réduit les coûts de maintenance et améliore la fiabilité/disponibilité tout au long de sa durée de vie.
  • Une plus grande fiabilité, en particulier dans les applications où une puissance de sortie élevée et soutenue est requise.
  • La chaleur perdue est dissipée presque entièrement dans l'échappement. Il en résulte un flux d'échappement à haute température très utilisable pour faire bouillir de l'eau dans un cycle combiné ou pour la cogénération .
  • Pressions de combustion maximales inférieures à celles des moteurs à pistons en général.
  • Des vitesses d'arbre élevées dans les petites "unités à turbine libre", bien que les turbines à gaz plus grandes utilisées dans la production d'électricité fonctionnent à des vitesses synchrones.
  • Faible coût et consommation d'huile de lubrification.
  • Peut fonctionner avec une grande variété de carburants.
  • Très faibles émissions toxiques de CO et HC dues à un excès d'air, une combustion complète et pas de « trempe » de la flamme sur les surfaces froides.

Désavantages

  • Les coûts du moteur de base peuvent être élevés en raison de l'utilisation de matériaux exotiques.
  • Moins efficace que les moteurs alternatifs au ralenti.
  • Démarrage plus long que les moteurs alternatifs.
  • Moins sensible aux changements de demande de puissance par rapport aux moteurs alternatifs.
  • Le gémissement caractéristique peut être difficile à supprimer.

Principaux fabricants

Essai

Les codes de test britanniques, allemands, nationaux et internationaux sont utilisés pour normaliser les procédures et les définitions utilisées pour tester les turbines à gaz. La sélection du code d'essai à utiliser est un accord entre l'acheteur et le fabricant et a une certaine importance pour la conception de la turbine et des systèmes associés. Aux États-Unis, l' ASME a produit plusieurs codes de test de performance sur les turbines à gaz. Cela inclut ASME PTC 22–2014. Ces codes de test de performance ASME ont acquis une reconnaissance et une acceptation internationales pour tester les turbines à gaz. La caractéristique la plus importante et la plus différenciante des codes de test de performance ASME, y compris PTC 22, est que l'incertitude de test de la mesure indique la qualité du test et ne doit pas être utilisée comme tolérance commerciale.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes