turbine (suite)

Le cycle réel diffère toutefois du cycle théorique, car la compression et la détente s’effectuent avec perte d’énergie, donc avec une entropie accrue ; le cycle réel correspond au contour AB′CD′, et l’on introduit des rendements isentropiques de compression et de détente  :

Généralement,
La puissance utile a alors pour valeur

À partir de ces configurations, on peut obtenir d’autres cycles, notamment avec refroidissement en cours de compression ou réchauffage en cours de détente, afin de se rapprocher des conditions d’opérations isothermes (à température constante).

Régulation

Elle a pour objet d’adapter la puissance délivrée par la turbine à celle qui est requise par le circuit utilisateur. Pour cela, on agit sur le débit de combustible injecté tout en maintenant la température des gaz devant la turbine en dessous du niveau maximal tolérable. Un tel régulateur comprend en général un régulateur tachymétrique et un régulateur de température fonctionnant en parallèle. Il faut leur ajouter un ensemble générateur de pression d’huile et des organes de sécurité arrêtant le moteur en cas d’incident.

Applications

Si l’on excepte l’utilisation de la turbine à gaz par Auguste Rateau (1863-1930) dès la fin de la Première Guerre mondiale pour l’entraînement des compresseurs de moteurs d’avion, les véritables applications de ce type de machine remontent à 1945 avec les turbopropulseurs et les turboréacteurs d’avion. À l’heure actuelle, en dehors de ces dernières, on peut répartir les principales utilisations possibles entre la production d’énergie et la propulsion marine et ferroviaire.

• Application à la production d’énergie. Les turbines à gaz productrices d’énergie sont de deux sortes : celles dont la construction est proche de celle des turbines à vapeur et celles qui sont directement dérivées des turbines étudiées pour l’aéronautique. Les premières se caractérisent par une durée de vie élevée, alors que les secondes présentent une grande légèreté et une grande rapidité de démarrage. Par rapport aux turbines à vapeur utilisées dans les centrales thermiques classiques, les turbines à gaz présentent comme principaux avantages une importante réduction des frais d’entretien et une grande simplicité de manœuvre. De plus, la diversité des combustibles utilisables donne beaucoup de souplesse d’emploi ; en revanche, ces combustibles sont relativement onéreux.

En tant qu’unité de production d’énergie, la turbine à gaz permet de fournir une énergie d’appoint aux périodes de pointe. Elle sert également pour constituer des groupes électrogènes mobiles ou pour équiper soit les centrales énergétiques des usines métallurgiques, dans lesquelles on utilise comme combustible le gaz de haut-fourneau, soit des centrales en pays désertiques, riches en combustibles liquides et gazeux, et qui ne disposent pas de l’eau nécessaire au refroidissement des centrales à vapeur.

• Application à la propulsion. Malgré la concurrence de la turbine à vapeur et du moteur Diesel, la turbine à gaz commence à pénétrer le domaine de la propulsion, tant pour la marine que pour les chemins de fer.

La propulsion navale par turbine à gaz intéresse actuellement presque uniquement les marines de guerre, et les machines utilisées sont le plus souvent dérivées des moteurs d’avion. C’est ainsi que Rolls-Royce a développé à partir de son moteur Olympus qui équipe Concorde une turbine à gaz produisant 20 000 kW à 5 660 tr/mn.

La propulsion ferroviaire remonte à 1941 avec une locomotive suisse construite par Brown Boveri. Vers 1950, General Electric réalisa des locomotives de 3 300 et de 6 200 kW. Mais, depuis une dizaine d’années, compte tenu des progrès affichés par les moteurs Diesel, la turbine à gaz semble limitée à la propulsion des rames automotrices légères à grande vitesse, où ses qualités de légèreté trouvent leur pleine justification. C’est dans cet esprit qu’a été conçu le Turbotrain autour d’une turbine libre Turmo III C-3, développée par Turboméca pour la propulsion de l’hélicoptère « Super-Frelon » de l’Aérospatiale. La puissance fournie par l’ensemble propulseur du Turbotrain est de 870 kW pour une masse de 300 kg ; la vitesse maximale est de 240 km/h. Des réalisations analogues existent aux États-Unis, au Canada et en Union soviétique. Les avantages de la turbine à gaz sont son poids extrêmement réduit et son faible encombrement, ce qui permet de réduire dans de grandes proportions le maître-couple de la motrice, donc la traînée aux grandes vitesses, et, par voie de conséquence, la puissance nécessaire. En revanche, la turbine est relativement bruyante, et il faut prévoir des dispositifs d’insonorisation efficaces.

La propulsion dans le domaine de l’automobile doit résoudre l’important problème de la récupération de la chaleur perdue à l’échappement sans grever trop lourdement le poids de la machine. Plusieurs prototypes expérimentaux ont déjà été réalisés par certains constructeurs, notamment dans le domaine des camions, où le problème du poids est moins important et où des rendements de 35 p. 100 ont pu être obtenus. Les caractéristiques de couple de la turbine à gaz sont très favorables à la traction automobile et permettent de simplifier les organes de transmission. Enfin, la turbine à gaz est très supérieure au moteur à pistons sur le plan de la pollution, puisqu’elle n’émet pratiquement pas d’imbrûlés ni d’oxyde de carbone.

• Autres applications. Les turbines à gaz de faible puissance issues des turbomoteurs utilisés en aéronautique ont trouvé un certain nombre d’emplois industriels chaque fois que le poids, l’encombrement ou la rapidité de mise en œuvre constituent des facteurs critiques. Elles sont notamment utilisées pour les groupes de pompage (par exemple dans l’industrie pétrolière), les groupes frigorifiques, les démarreurs pour moteurs d’avion et les groupes de servitude pour la mise en œuvre des avions au sol.