Éd. 1971-1976

turbine (suite)

Normalement, un moteur de turbine ne peut fonctionner comme frein, sauf s’il est possible d’inverser la direction du flux gazeux sur la turbine de travail. On y parvient en montant une série d’aubes à incidence variable commandées par la position de l’accélérateur et par un système hydraulique, à pression d’huile, dont le piston agit sur une couronne dentée provoquant la rotation des aubes autour de leur axe. On détermine ainsi, automatiquement, l’angle d’inclinaison donnant l’une des trois positions de pleine puissance, de rendement maximal ou de frein moteur.

J. B.

Installation mixte vapeur-gaz

Beaucoup d’énergie est perdue dans les gaz d’échappement d’une turbine à gaz à cycle ouvert, et une partie des calories est récupérable à l’intérieur d’un échangeur servant à réchauffer le gaz comprimé (généralement de l’air) avant qu’il soit envoyé dans la chambre de combustion. Mais on peut réaliser cette récupération dans une installation mixte vapeur-gaz destinée uniquement à la production d’énergie électrique ; l’ensemble constitue une combinaison de turbine à gaz avec une centrale à vapeur. Deux solutions sont possibles, suivant que la chaudière est disposée à l’aval ou bien à l’amont de la turbine à gaz (fig. 8). Quand la chaudière est placée à l’aval de la turbine à gaz, la chaudière est alors un récupérateur de calories, et l’on utilise les calories des gaz d’échappement pour produire de la vapeur. On peut même prévoir une resurchauffe et des soutirages. Quand la chaudière est placée à l’amont de la turbine à gaz, on dispose effectivement d’une chaudière (avec apport de calories extérieures) et non plus d’un simple échangeur.

Parmi les installations combinées vapeur-gaz figure celle de la centrale EDF de Vitry-sur-Seine, dans la région parisienne. Cette centrale comprend quatre unités de 250 MW à vapeur, la puissance de chacune des deux dernières pouvant, toutefois, être portée à 325 MW par addition d’une turbine à gaz à l’amont de l’installation à vapeur existante. On peut ainsi obtenir une surpuissance de pointe avec un coût spécifique d’installation très réduit.

P. L. et J. L.

➙ Pompe / Propulsion par réaction.

G. Cahen et P. Treille, Précis d’énergie nucléaire (Dunod, 1957 ; nouv. éd., 1963). / L. Vivier, Turbines à vapeur et à gaz (A. Michel, 1965) ; Turbines hydrauliques et leur régulation (A. Michel, 1966). / P. Lefort, les Turbomachines (P. U. F., coll. « Que sais-je ? », 1969).

turbulence

Caractéristique du mouvement irrégulier d’un fluide s’écoulant le long d’un solide.

Introduction

La mécanique des fluides aura fait un grand pas en avant lorsqu’elle pourra proposer une théorie précise sur la structure de l’écoulement turbulent. Cet écoulement capricieux, nous l’observons par exemple à la surface libre d’un fleuve : dans le courant principal, les tourbillons, lorsqu’ils avoisinent les berges, créent des courants de retour et les objets flottants ont des mouvements incohérents. Le régime turbulent est le régime d’écoulement le plus fréquent, mais il y a lieu de le distinguer du régime laminaire, apparaissant aux faibles vitesses. Dans l’écoulement laminaire, les couches fluides glissent les unes sur les autres sans échange de matière entre ces couches, tandis que, dans l’écoulement turbulent, les lignes de courant sont irrégulières et chaotiques, entraînant un brassage intense du fluide. La transition entre ces deux régimes d’écoulement, étudiée dès 1883 par Osborne Reynolds (1842-1912), peut être visualisée simplement : en ouvrant progressivement un robinet d’eau, il est facile de constater que le jet d’eau, initialement lisse et stable, devient brusquement rugueux et instable. En 1937, sir Geoffroy Ingram Taylor (1886-1975) et Théodore de Karman (1881-1963) proposaient la définition suivante : « La turbulence est un mouvement irrégulier qui prend naissance dans les fluides, liquides ou gaz, s’écoulant le long de parois solides (écoulement dans les canalisations ou autour de corps quelconques) ou en contact avec un autre domaine fluide sous forme d’un jet. »

Du fait de cette irrégularité, il est impossible de décrire le mouvement dans tous ses détails à partir des caractéristiques instantanées, et la seule étude possible est fondée sur les théories statistiques. On considère généralement l’écoulement turbulent comme la superposition d’un écoulement moyen et de mouvements quasi périodiques, ce qui permet de schématiser la structure interne de cet écoulement.

Mouvement turbulent moyen

Avant toute chose, il est nécessaire de donner la définition de la valeur moyenne temporelle d’une caractéristique quelconque f du fluide (par exemple, composante de la vitesse, pression, température...). En un point M de l’écoulement,

Dans cette définition, on suppose l’existence d’un temps T, à la fois grand devant les périodes des fluctuations turbulentes et petit devant un temps caractéristique du mouvement moyen. Pour l’écoulement dans une conduite, par exemple, ce temps caractéristique correspond au rapport entre le diamètre de la conduite et la vitesse de débit.

On définit alors le mouvement moyen par le champ des vitesses moyennes de composantes Si, au point M considéré, quel que soit l’instant t, toutes les caractéristiques moyennes du fluide restent constantes : le mouvement turbulent est dit permanent en moyenne.

La fluctuation f ′ de la caractéristique considérée est donnée par la relation reliant la caractéristique instantanée à la caractéristique moyenne avec, par définition, Le mouvement d’agitation est défini par les fluctuations de vitesse de composantes V′_i. L’enregistrement des fluctuations de vitesse met en évidence un large spectre de fréquence, faisant supposer l’existence de tourbillons de taille et d’intensité variées.