Moteurs à turbine à gaz

La taille des turbines à gaz varie de microturbines à <50 ch (37,3 kW) à de grandes turbines industrielles de >250 000 ch (190 kW). Cette page se concentre sur le moteur à turbine à gaz, les différences entre les types de turbines et les éléments à prendre en compte lorsqu’elles sont appliquées comme moteur principal.

Processus

Comme le montrent les figures 1 et 2, le cycle de Brayton « ouvert » est le cycle thermodynamique de toutes les turbines à gaz. Ce cycle consiste en :

• Compression adiabatique
• Chauffage à pression constante
• Détente adiabatique

La turbine à gaz est constituée des composants suivants :

• Un compresseur d’air
• Une chambre de combustion
• Une turbine de puissance, qui produit l’énergie nécessaire pour entraîner le compresseur d’air et l’arbre de sortie

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  Fig. 1-Schéma simplifié de turbine à gaz à cycle simple.

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  Fig. 2-Cycle de Brayton « ouvert » typique des turbines à gaz.

L’air entre dans l’entrée du compresseur aux conditions ambiantes (point 1), est comprimé (point 2), et passe dans le système de combustion, où il est combiné avec du combustible et « chauffé » à la température maximale du cycle (point 3). L’air chauffé est détendu dans la section de la turbine du producteur de gaz (entre les points 3 et 5), où l’énergie du fluide de travail est extraite pour générer de l’énergie destinée à entraîner le compresseur, et détendue dans la turbine de puissance pour entraîner la charge (point 7). L’air est ensuite évacué dans l’atmosphère. Un système de démarrage est utilisé pour amener le compresseur d’air à une vitesse suffisante pour fournir l’air nécessaire à la combustion avec le combustible injecté dans la chambre de combustion. Le cycle de combustion à combustion continue d’une turbine, combiné à la rotation continue du rotor de la turbine, permet un fonctionnement pratiquement sans vibrations, ainsi que moins de pièces mobiles et de points d’usure que d’autres machines motrices.

Considération de la conception et fonctionnement

Température maximale du cycle, TRIT

La puissance de sortie d’une turbine à gaz peut être augmentée en augmentant la température maximale du cycle. La température maximale du cycle est désignée par TRIT, qui signifie température d’entrée du rotor de la turbine. L’API 616 définit la température nominale d’allumage comme la température d’entrée de la turbine (TRIT) calculée par le vendeur immédiatement en amont du rotor de turbine du premier étage pour un service continu à la puissance nominale de sortie. La TRIT est calculée immédiatement en amont du rotor de turbine du premier étage et comprend les effets calculés de l’air de refroidissement et de la chute de température à travers les aubes du stator du premier étage.

Débit d’air

La puissance de sortie d’une turbine à gaz peut également être augmentée en augmentant le débit massique d’air à travers la turbine à gaz. La géométrie de la turbine à gaz, notamment du compresseur, et la vitesse du compresseur dictent le débit massique d’air de base. Une augmentation du débit nécessite une augmentation de la vitesse, qui est limitée à la vitesse maximale de fonctionnement continu de toute conception particulière. À une vitesse donnée, une augmentation de la densité de l’air d’admission augmente le débit massique d’air. La densité de l’air d’entrée augmente directement avec la pression barométrique et inversement avec la température ambiante.

Les principaux paramètres affectant la puissance de sortie sont la vitesse et le TRIT pour toute conception mécanique/aérodynamique donnée. L’augmentation de l’un ou l’autre de ces paramètres augmente la capacité de puissance de sortie de la turbine à gaz. La vitesse et la température peuvent être dictées par la puissance de sortie et le taux de chaleur souhaités dans les contraintes imposées par les facteurs suivants :

• Vie des composants
• Coût
• Faisabilité technique

Limitations de vitesse

A mesure que la vitesse d’une turbine à gaz augmente, les forces centrifuges sur les composants rotatifs augmentent. Ces forces augmentent la contrainte sur les composants rotatifs, en particulier les suivants :

• Disques
• Pales
• Fixation des pales au disque

Les matériaux des composants ont des limites de contrainte qui sont directement proportionnelles à leurs limites de vitesse et ne doivent pas être dépassées. Ainsi, la vitesse maximale continue de l’élément rotatif est fonction de :

• Géométrie du rotor
• Propriétés des matériaux des composants
• Facteurs de conception de sécurité

C’est la vitesse la plus élevée autorisée pour un fonctionnement continu.

Limites de température

Une façon d’augmenter la puissance de sortie est d’augmenter le débit de carburant et donc le TRIT. Lorsque le TRIT augmente, les composants de la section chaude fonctionnent à des températures métalliques plus élevées, ce qui réduit le temps entre deux inspections (TBI) de la turbine à gaz. Comme la durée de vie des matériaux de la partie chaude est limitée par les contraintes à haute température, il existe des limites aux températures maximales pour un TBI donné. La durée de vie des matériaux diminue rapidement à des températures plus élevées. Le TBI est une fonction du temps au TRIT et du taux de changement du TRIT pendant les transitoires tels que le démarrage. La limite de fluage ou de rupture sous contrainte est établie par les propriétés des matériaux en fonction de leur niveau de contrainte et de la température de fonctionnement.

Point nominal

Un point nominal peut être établi pour déterminer les performances de la turbine à gaz pour des conditions ambiantes, des pertes dans les conduits, un carburant, etc. spécifiés.

L’Organisation internationale de normalisation définit ses conditions standard comme suit :

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% d’humidité relative sans pertes

C’est devenu un point nominal standard pour comparer les turbines de divers fabricants et conceptions.

Cote de site

La cote de site est une déclaration de la performance de base de la turbine à gaz dans des conditions de site spécifiques, y compris :

• Température ambiante
• Élévation
• Pertes de pression des conduits
• Contrôles des émissions
• Combustible. composition
• Prise de puissance auxiliaire
• Extraction d’air du compresseur
• Niveau de puissance de sortie

Par exemple, une augmentation de la température ambiante réduit la puissance de sortie à un taux influencé par la conception de la turbine à gaz.

Température de l’air d’entrée

Fig. 3 porte sur la température de l’air d’entrée à la vitesse optimale de la turbine de puissance pour un exemple de turbine à gaz :

• Puissance de sortie
• Débit de carburant
• Température d’échappement
• Débit d’échappement

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  Fig. 3-Puissance de sortie en fonction de la température de l’air d’entrée du compresseur.

Augmentation du rendement de la turbine

Cycle simple

La majeure partie de l’énergie mécanique extraite du flux gazeux par la turbine est nécessaire pour entraîner le compresseur d’air, le reste étant disponible pour entraîner une charge mécanique. L’énergie du flux gazeux non extraite par la turbine est rejetée dans l’atmosphère sous forme de chaleur.

Cycle récupérateur

Dans le cycle récupérateur, également appelé cycle régénérateur, l’air de refoulement du compresseur est préchauffé dans un échangeur de chaleur ou récupérateur, dont la source de chaleur est l’échappement de la turbine à gaz. L’énergie transférée de l’échappement réduit la quantité d’énergie qui doit être ajoutée par le combustible. Dans la figure 4, l’économie de carburant est représentée par la zone ombrée sous 2 à 2′. Les trois principales conceptions utilisées dans les récupérateurs stationnaires sont les suivantes :

• Ailette de plaque
• Coquille et tube
• Surface primaire

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  Fig. 4-Cycle récupéré.

Cycle combiné

L’ajout d’un cycle de fond de vapeur au cycle de Brayton utilise la chaleur d’échappement pour produire une puissance supplémentaire, qui peut être utilisée dans une charge commune, comme le montre la figure 5, ou pour une charge séparée. La zone ombrée représente l’apport d’énergie supplémentaire.

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  Fig. 5-Cycle combiné.

Système d’entrée d’air

Filtration de l’air d’entrée. La qualité de l’air entrant dans la turbine à gaz est une considération de conception très importante. L’efficacité de la turbine diminuera avec le temps en raison de l’accumulation de dépôts sur le chemin d’écoulement interne de la turbine et sur les aubes rotatives. Cette accumulation entraîne une augmentation de la maintenance et de la consommation de carburant. La sélection et l’entretien du système de filtration d’air d’entrée approprié pour les conditions spécifiques du site affecteront le taux de diminution de l’efficacité au fil du temps.

Chute de pression

Il est essentiel de minimiser la chute de pression de l’air passant à travers le : Conduit d’entrée Filtre à air d’entrée Silencieux d’entrée (voir Atténuation du bruit ci-dessous)

La perte de pression sur l’air atmosphérique entrant dans la turbine affecte grandement les performances de la turbine à gaz.

Atténuation du bruit

Le bruit produit par une turbine à gaz se situe principalement dans les gammes de fréquences supérieures, qui ne sont pas transmises aussi loin que les bruits de fréquences inférieures produits par des moteurs d’entraînement à vitesse plus lente, tels que les moteurs alternatifs. La plupart des bruits à haute fréquence produits par la turbine sont générés dans l’entrée d’air, une plus petite quantité provenant de l’échappement. Les sources de bruit et la méthode d’atténuation sont les suivantes :

Entrée d’air

Le silencieux d’entrée doit être spécifiquement conçu en fonction du profil sonore de la turbine à gaz et des exigences du site. Ce silencieux est installé dans la conduite d’entrée d’air entre le filtre à air et l’entrée du compresseur d’air de la turbine.

Echappement

Le silencieux d’échappement doit être spécifiquement conçu en fonction du profil sonore de la turbine à gaz et des exigences du site. La hauteur de la cheminée d’échappement en conjonction avec le silencieux est une considération importante. L’évacuation des gaz d’échappement chauds aussi haut que possible réduit le bruit mesurable au niveau du sol et présente l’avantage supplémentaire de réduire le risque de recirculation des gaz d’échappement chauds dans l’entrée d’air. La perte de pression (contre-pression) sur l’échappement de la turbine affecte grandement la performance de la turbine à gaz.

Caisson/boîte d’engrenage/équipement entraîné

Une ou plusieurs enceintes insonorisantes peuvent être installées directement au-dessus de l’équipement, comme des enceintes walk-in montées sur patins ou un bâtiment contenant l’équipement isolé pour répondre aux exigences ou les deux.

Refroidisseur d’huile

La méthode la plus courante de refroidissement de l’huile est l’utilisation d’échangeurs d’air/de refroidisseurs à ventilateur. Ceux-ci génèrent un bruit de ventilateur qui peut être contrôlé avec la vitesse de pointe du ventilateur. L’utilisation de refroidisseurs à eau à coque et à tube peut être efficace sur le plan du bruit si le milieu de refroidissement est disponible.

Types de turbines à gaz

Les conceptions de turbines peuvent être différenciées par :

• Type de devoir
• Types de combustion
• Configuration de l’arbre
• Degré d’emballage

Types de devoir

Turbines d’avion

Les turbines d’avion ou moteurs à réaction sont conçus avec une construction très sophistiquée pour un poids léger spécifiquement pour alimenter les avions. Ces conceptions exigent une puissance ou une poussée maximale avec un poids minimal et un rendement énergétique maximal. Les turbines d’avion ont des roulements à rouleaux et des températures de combustion élevées nécessitant une métallurgie exotique. Elles peuvent fonctionner avec une variété limitée de carburants. Lorsqu’un moteur à réaction est utilisé dans une application industrielle, il doit être couplé à une turbine de puissance indépendante pour produire la puissance de l’arbre.

Moteurs à turbine à gaz industriels lourds

Les paramètres de conception de base des moteurs à turbine à gaz industriels lourds ont évolué à partir des turbines à vapeur industrielles qui ont des vitesses plus lentes, des rotors lourds et des boîtiers plus grands que les moteurs à réaction pour assurer une plus longue durée de vie. Ces turbines à gaz sont capables de brûler la plus large gamme de combustibles liquides ou gazeux.

Moteurs industriels légers à turbine à gaz

Les paramètres de conception de base et la technologie utilisés dans les turbines d’avion peuvent être combinés avec certains des aspects de conception des turbines à gaz industrielles lourdes pour produire une turbine industrielle plus légère avec une durée de vie approchant celle d’une turbine à gaz industrielle lourde. Ces moteurs sont appelés moteurs à turbine à gaz industriels légers.

Types de chambre de combustion

Combustion radiale ou annulaire

Cette chambre de combustion entoure les parties rotatives de la turbine à gaz et fait partie intégrante du carter du moteur (figure 6). Les turbines d’avion et les turbines à gaz industrielles légères utilisent cette conception.

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  Fig. 6-Coupe typique de turbine à gaz.

Combustion en caisson

C’est un système à une ou plusieurs combustions qui est séparé de la turbine rotative comme des caissons de combustion externe (Fig. 7). Les conceptions utilisant ce type de chambre de combustion peuvent brûler une gamme plus large de combustibles.

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  Fig. 7-Turbine à gaz typique avec chambre de combustion à canettes (coupe).

Configuration de l’arbre

Arbre unique

La turbine à gaz peut avoir une conception à arbre unique ou à deux arbres. La conception à un seul arbre consiste en un seul arbre reliant le compresseur d’air, la turbine du producteur de gaz et la turbine de puissance comme un seul élément rotatif (figure 1). Cette conception est la mieux adaptée aux applications à vitesse constante telles que l’entraînement de générateurs électriques pour une fréquence constante.

Deux arbres

La conception à deux arbres comporte le compresseur d’air et le producteur de gaz sur un arbre et la turbine de puissance sur un deuxième arbre indépendant. Cette conception offre la flexibilité de vitesse nécessaire pour couvrir plus efficacement une plus large carte de performance de l’équipement entraîné. Cela permet au producteur de gaz de fonctionner à la vitesse nécessaire pour développer la puissance requise par l’équipement entraîné, comme les compresseurs centrifuges ou les pompes. La figure 6 montre une vue en coupe d’une turbine à gaz typique à deux arbres. Les principaux composants sont le compresseur, le système de combustion, la turbine du producteur de gaz et la turbine de puissance. Cette conception comprend une turbine de producteur de gaz à deux étages et une turbine de puissance à deux étages.

Degré de conditionnement

La norme pour la plupart des turbines à gaz utilisées dans l’industrie consiste à incorporer la turbine à gaz dans un cadre de base/un patin avec tous les composants requis pour l’unité opérationnelle de base. Cela comprend des systèmes tels que :

• Système de démarrage
• Système d’alimentation en carburant
• Système de lubrification
• Commandes locales
• Dans certains cas, la boîte d’engrenages et l’équipement entraîné

Les systèmes supplémentaires requis sur le plan opérationnel sont tous généralement des systèmes emballés séparés et préconçus qui peuvent être fournis et personnalisés par le fabricant de la turbine. Sont inclus dans cette catégorie des systèmes tels que :

• Filtration/silence de l’entrée d’air
• Refroidisseurs d’huile
• Systèmes de commande à distance
• Enceintes insonorisées
• Silencieux d’échappement

Émissions d’échappement

La détérioration de l’atmosphère par les polluants gazeux est un problème environnemental important. La turbine à gaz par la conception du cycle de base donne une combustion plus propre et produit un niveau plus faible de polluant par rapport aux autres moteurs principaux, ce qui est un avantage majeur. Les polluants de la turbine à gaz qui sont généralement réglementés sont :

• Oxydes d’azote
• Monoxyde de carbone
• Hydrocarbures imbrûlés
• Particules
• Dioxyde de soufre

La solution à certains de ces problèmes de pollution, mais pas tous, se trouve dans la chambre de combustion de la turbine à gaz. Une brève discussion suit.

Oxydes d’azote (NOx)

Seulement deux des sept oxydes d’azote sont réglementés : NO et NO2, désignés collectivement sous le nom de NOx. Presque tous les problèmes d’émissions impliquant les moteurs principaux sont liés à la production de NOx et aux contrôles de NOx. La turbine à gaz est relativement propre par rapport aux autres moteurs d’entraînement. Par exemple, les turbines à gaz brûlant du gaz naturel produisent généralement 4 à 12 fois moins de NOx par unité de puissance que les moteurs alternatifs. Cependant, les NOx sont le principal facteur d’autorisation des installations de turbines à gaz.

Le monoxyde de carbone (CO)

Le CO est également à un niveau très faible dans l’échappement des turbines en raison de l’excès d’air dans le processus de combustion. Par conséquent, il ne constitue généralement pas un problème. Cependant, dans certaines régions où le niveau ambiant de CO est extrêmement élevé ou lorsque l’injection d’eau est utilisée pour le contrôle des NOx dans la turbine à gaz, le CO peut être un facteur dans l’obtention des permis.

Hydrocarbures imbrûlés (UHC)

Contrairement aux moteurs alternatifs qui produisent une quantité importante d’UHC, les turbines à gaz produisent une faible quantité d’UHC parce que la grande quantité d’air excédentaire impliquée dans le processus de combustion de la turbine à gaz brûle complètement presque tous les hydrocarbures. Par conséquent, les émissions d’UHC sont rarement un facteur important dans l’obtention de permis environnementaux pour les turbines à gaz.

Particules

On n’a pas perfectionné de techniques de mesure des particules qui produisent des résultats significatifs sur les échappements des turbines à gaz. C’est rarement un facteur dans l’obtention de permis pour les turbines à gaz lorsque des combustibles propres sont brûlés dans la turbine à gaz.

Dioxyde de soufre (SO2)

Presque tous les équipements de combustion de combustibles, y compris les turbines à gaz, convertissent tout le soufre contenu dans le combustible en SO2. Cela fait du SO2 un problème de combustible plutôt qu’un problème associé aux caractéristiques de la turbine. La seule façon efficace de contrôler le SO2 est de limiter la quantité de soufre contenue dans le combustible ou d’éliminer le SO2 des gaz d’échappement au moyen d’un processus de lavage humide.

Contrôle des émissions

La nécessité de respecter ou de dépasser les normes d’émission fixées par les codes fédéraux, étatiques et locaux a obligé les fabricants de turbines à gaz industrielles à développer des turbines à combustion plus propre. Des systèmes d’émissions sèches ont été développés avec des injecteurs de carburant à mélange pauvre, une technologie de combustion spéciale et des contrôles pour réduire les émissions de NOx et de CO en créant des températures de flamme maximales plus basses et une oxydation plus complète des combustibles hydrocarbonés. Tous les fabricants de turbines à gaz industrielles ont des produits secs à faibles émissions. Les performances varient d’un produit à l’autre en raison des différences dans la conception de la chambre de combustion.

Ces systèmes à mélange pauvre réduisent la formation de NOx et de CO à des niveaux très bas, ce qui rend inutile l’utilisation de convertisseurs catalytiques coûteux et nécessitant beaucoup d’entretien pour éliminer les NOx et le CO après leur formation. Dans les zones de forte concentration, il peut être nécessaire, pour certaines turbines à gaz, d’utiliser des convertisseurs catalytiques sélectifs pour réduire davantage le niveau de NOx et de CO. Le combustible de choix pour la turbine à gaz est le gaz naturel sec et propre, qui produit l’échappement le plus propre.

Chaleur d’échappement

La plupart des pertes de chaleur du cycle des turbines à gaz sortent par l’échappement. Cette chaleur peut être récupérée et utilisée pour augmenter l’efficacité thermique globale du combustible brûlé. La méthode la plus courante d’utilisation de la chaleur d’échappement est dans la production de vapeur.

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Prime movers

Moteurs de récupération

PEH:Prime_Movers

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