turbine (suite)

Application de la turbine à gaz à l’automobile

La turbine à gaz utilisée pour la propulsion d’une voiture automobile ne comporte que des organes en rotation, qui assurent un fonctionnement en quatre temps analogue à celui du moteur classique à équipage piston-bielle doué d’un mouvement alternatif.

Constitution générale

La turbine se compose de deux ensembles principaux : d’une part, un générateur, qui comporte un compresseur d’air, une chambre de combustion et une turbine de puissance entraînant le compresseur ; d’autre part, un groupe propulseur, constitué d’une turbine de travail, animée par le générateur sans interposition de liaison mécanique, et d’un réducteur de vitesse, de type à engrenages, lié à l’arbre moteur-transmission. Son fonctionnement est comparable à celui du moteur à explosion classique, en ce sens qu’on retrouve les périodes habituelles (aspiration, compression, combustion-détente, échappement), mais à cette différence près que le turbomoteur fonctionne en cycle ouvert par un flux gazeux ininterrompu, à sens unique, alors que le moteur à pistons procède par pulsations périodiques inversées. Son diagramme théorique, en fonction de la pression et du volume des gaz, est composé, à partir de la pression de l’air au niveau du compresseur, d’une courbe de compression supposée adiabatique, d’une courbe d’élévation de température due à la combustion du mélange air-essence et d’une courbe de détente, également adiabatique, ce qui nécessite des mesures difficiles à réaliser. On lui préfère généralement le diagramme dit « entropique », établi en fonction de la quantité de chaleur correspondant à la transformation considérée, ou enthalpie, déterminant l’énergie thermique interne, et d’une température absolue supposée constante, représentant l’entropie. Le compresseur est du type radial centrifuge, c’est-à-dire que le fluide circule dans un plan perpendiculaire à l’axe du rotor en partant du centre pour se diriger vers la volute. Il convient pour des rapports volumétriques de compression de l’ordre de 3 ou 4 à 1 et il présente l’avantage de s’accommoder des poussières contenues dans l’air aspiré, qu’il rejette vers la volute. Le fluide subit des augmentations de pression dues à la fois à l’effet de la force centrifuge et à l’énergie cinétique du collecteur. Sa température à la sortie est de l’ordre de 200 °C, mais la dilatation des ailettes reste modérée en raison de l’afflux constant d’air frais à l’entrée du compresseur ; aussi le jeu entre ailettes et paroi est-il faible. Des rapports volumétriques plus importants (jusqu’à 6 à 1) nécessiteraient l’adoption d’un compresseur à deux étages, avec refroidissement auxiliaire, dont l’inertie retarderait la mise en régime. L’air comprimé est envoyé dans la chambre de combustion, où le mélange s’enflamme spontanément dès que le carburant y est injecté. Cette chambre porte dans son enveloppe extérieure un brûleur dans lequel débouche un injecteur ainsi qu’une bougie d’allumage électrique, indispensable pour assurer la première mise en route. L’air est dirigé par des déflecteurs et, en circulant autour de la chambre de combustion, il refroidit les parois, la température ne devant pas excéder 800 °C. L’échappement comporte un excès d’air important et, le débit étant continu sous faible pression, il est inutile de monter un silencieux.

Les turbines sont du type à écoulement axial. La turbine de puissance, dont le régime est très élevé, est allégée au maximum pour diminuer l’inertie de l’ensemble rotatif du générateur, et la turbine de travail, qui tourne relativement moins vite, présente un diamètre supérieur à celui de la première, ce qui lui permet de régulariser l’écoulement du flux gazeux. Le profil des ailettes accuse une certaine courbure par rapport à leur plan oblique à l’axe, et, pour accroître le rendement, on monte à l’entrée un distributeur composé d’une série d’ailettes disposées circulairement en oblique et fixées au carter de manière à infléchir le courant gazeux axial. Ces ailettes doivent résister à des contraintes mécaniques et surtout thermiques qui sont fonction directe du régime et varient constamment tout en pouvant atteindre des valeurs très élevées. On les constitue avec des alliages à base de chrome, de manganèse, de nickel et de molybdène. Les progrès consistent à rechercher des matériaux plus réfractaires (métal poreux recouvert superficiellement d’un revêtement céramique) et meilleurs conducteurs de la chaleur. Les paliers sont montés sur roulements à billes et soigneusement équilibrés en raison des vitesses de régime élevées qu’ils subissent. Ils sont graissés sous pression à l’huile semi-fluide contenant un produit antiémulsion.

Les organes annexes

Ils assurent la mise en route à froid, l’alimentation en carburant, le réchauffement de l’air aspiré et le freinage au moteur. Le démarreur joue un double rôle : en première phase, il amène le générateur à son régime de ralenti — environ 3 500 tr/mn —, à partir duquel l’allumage se produit par la bougie et l’injection du carburant s’amorce ; en seconde phase, il doit assurer une montée en régime — jusqu’à 10 000 tr/mn — aussi rapide que possible afin que la combustion produise son plein effet. L’alimentation en carburant s’effectue à partir d’une pompe dont le débit croît proportionnellement au carré de la vitesse de régime du générateur, dont elle est solidaire par un train d’engrenages. Ce débit est réglé par une aiguille mobile, placée dans la tubulure d’admission en carburant et commandée par l’accélérateur. Au repos de la pédale, le générateur tombe à son régime de ralenti, les circuits de démarrage et d’allumage sont coupés, et la turbine de travail n’entraîne plus le véhicule.

Le rendement d’un turbomoteur dépendant directement de la température de l’air aspiré par le compresseur, on utilise la chaleur des gaz brûlés pour l’élever. Ces gaz ainsi refroidis sont ensuite, plus facilement expulsés dans l’atmosphère. L’appareil appelé échangeur ou récupérateur de chaleur se présente sous deux formes : fixe ou tournante. Dans la première forme, l’air parcourt un faisceau de tubes qui baignent dans un courant de gaz chauds dirigé transversalement ; l’échange de calories s’effectuant comme dans un radiateur de moteur. Dans la seconde forme, un disque façonné en nid d’abeilles pour offrir une grande surface thermique et tournant au ralenti (de 20 ou 30 tr/mn), est traversé pour les deux tiers de sa surface par l’air et pour un tiers par les gaz chauds.