Comment Fonctionnent Les Moteurs À Turbine À Gaz

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Les moteurs à turbine, ou à réaction, ont révolutionné l'industrie du transport aérien. En savoir plus sur les moteurs à turbine et leur fonctionnement.

Quand vous allez dans un aéroport et que vous voyez les jets commerciaux, vous ne pouvez pas vous empêcher de remarquer les énormes moteurs qui les alimentent. La plupart des jets commerciaux sont alimentés par des moteurs à double flux, et les turboréacteurs sont un exemple d’une classe générale de moteurs appelée turbine à gaz moteurs.

Vous n'avez peut-être jamais entendu parler des moteurs à turbine à gaz, mais ils sont utilisés dans toutes sortes d'endroits inattendus. Par exemple, de nombreux hélicoptères que vous voyez, de nombreuses centrales électriques et même le réservoir M-1 utilisent des turbines à gaz. Dans cet article, nous allons examiner les moteurs à turbine à gaz pour voir ce qui les motive!

Types de turbines

-Il existe différents types d'éoliennes:

  • Vous avez probablement entendu parler d'un turbine à vapeur. La plupart des centrales électriques utilisent du charbon, du gaz naturel, du pétrole ou un réacteur nucléaire pour créer de la vapeur. La vapeur traverse une énorme turbine à plusieurs étages très soigneusement conçue pour faire tourner un arbre de sortie qui entraîne le générateur de la centrale.
  • Utilisation de barrages hydroélectriques turbines à eau de la même manière pour générer de l'énergie. Les turbines utilisées dans une centrale hydroélectrique ont une apparence complètement différente d’une turbine à vapeur car l’eau est beaucoup plus dense (et plus lente) que la vapeur, mais c’est le même principe.
  • Éoliennes, également connu sous le nom de moulins à vent, utilisent le vent comme force motrice. Une éolienne ne ressemble en rien à une turbine à vapeur ou à une turbine à eau car le vent est lent et très léger, mais là encore, le principe est le même.

Une turbine à gaz est une extension du même concept. Dans une turbine à gaz, un gaz sous pression fait tourner la turbine. Dans tous les moteurs à turbine à gaz modernes, le moteur produit son propre gaz sous pression, en brûlant quelque chose comme du propane, du gaz naturel, du kérosène ou du carburéacteur. La chaleur dégagée par la combustion du carburant dilate l'air, et la poussée rapide de cet air chaud fait tourner la turbine.

Avantages et inconvénients des moteurs à réaction

Alors, pourquoi le réservoir M-1 utilise-t-il un moteur à turbine à gaz de 1 500 chevaux au lieu d'un moteur diesel? Il s'avère que la turbine présente deux grands avantages par rapport au diesel:

  • Les moteurs à turbine à gaz ont une grande rapport poids / puissance par rapport aux moteurs alternatifs. Autrement dit, la quantité de puissance que vous retirez du moteur par rapport à son poids est très bonne.
  • Les moteurs à turbine à gaz sont plus petit que leurs homologues réciproques du même pouvoir.

-Le principal inconvénient des turbines à gaz est que, comparées à un moteur alternatif de la même taille, elles sont coûteux. Du fait de leur rotation à des vitesses aussi élevées et de leurs températures de fonctionnement élevées, la conception et la fabrication de turbines à gaz constituent un problème difficile, tant du point de vue de l'ingénierie que des matériaux. Les turbines à gaz ont également tendance à utiliser plus de carburant lorsqu'elles sont au ralenti et préfèrent une charge constante plutôt qu'une charge fluctuante. Cela rend les turbines à gaz idéales pour des choses comme les avions à réaction transcontinentaux et les centrales électriques, mais explique pourquoi vous n'en avez pas sous le capot de votre voiture.

Le procédé à turbine à gaz

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Les moteurs à turbine à gaz sont théoriquement extrêmement simples. Ils ont trois parties:

  • Compresseur - Compresse l'air entrant à haute pression
  • Zone de combustion - Brûle le carburant et produit un gaz à haute pression et haute vitesse
  • Turbine - extrait l'énergie des gaz à haute pression et à grande vitesse s'écoulant de la chambre de combustion

La figure suivante montre la disposition générale d’un écoulement axial turbine à gaz - type de moteur utilisé pour piloter le rotor d'un hélicoptère, par exemple:

Dans ce moteur, l'air est aspiré de la droite par le compresseur. Le compresseur est essentiellement un cylindre en forme de cône avec de petites pales de ventilateur fixées en rangées (huit rangées de pales sont représentées ici). En supposant que le bleu clair représente l'air à une pression d'air normale, puis lorsque l'air est forcé à travers l'étape de compression, sa pression augmente considérablement. Sur certains moteurs, la pression de l'air peut être multipliée par 30. L'air à haute pression produit par le compresseur est représenté en bleu foncé.

Zone de combustion

Comment fonctionnent les moteurs à turbine à gaz: moteurs

- Cet air à haute pression pénètre ensuite dans la zone de combustion, où un anneau d’injecteurs injecte un flux constant de carburant. Le combustible est généralement du kérosène, du carburéacteur, du propane ou du gaz naturel. Si vous pensez à quel point il est facile de souffler une bougie, alors vous pouvez voir le problème de conception dans la zone de combustion: de l'air sous haute pression se déplaçant à des centaines de kilomètres à l'heure. Vous voulez garder une flamme allumée en permanence dans cet environnement. La pièce qui résout ce problème s'appelle un "détenteur de flamme" ou parfois un "peut". le pouvez est un morceau creux et perforé de métal lourd. La moitié de la boîte en coupe est indiquée ci-dessous:

le injecteurs sont à droite. L'air comprimé pénètre par les perforations. Les gaz d'échappement sortent à gauche. Vous pouvez voir dans la figure précédente qu'un deuxième ensemble de cylindres s'enroule autour de l'intérieur et de l'extérieur de cette boîte perforée, guidant l'air comprimé aspiré dans les perforations.

La turbine

Comment fonctionnent les moteurs à turbine à gaz: turbine

À gauche du moteur se trouve le turbine section. Dans cette figure, il y a deux groupes d'éoliennes. Le premier ensemble entraîne directement le compresseur. Les turbines, l’arbre et le compresseur fonctionnent tous ensemble:

À l'extrême gauche se trouve un dernier étage de turbine, représenté ici avec un seul jeu de pales. Il entraîne l’arbre de sortie. Ce dernier étage de turbine et l’arbre de sortie constituent une unité à roue libre totalement autonome. Ils tournent librement sans aucune connexion avec le reste du moteur. Et c’est ce qui est remarquable dans le cas d’un moteur à turbine à gaz: il ya suffisamment d’énergie dans les gaz chauds qui traversent les aubes de la turbine de sortie finale pour générer 1 500 chevaux et alimenter un réservoir M-1 de 63 tonnes! Un moteur à turbine à gaz est vraiment aussi simple que cela.

Dans le cas de la turbine utilisée dans un réservoir ou une centrale électrique, il n’ya vraiment rien à faire avec les gaz d’échappement, mais les ventiler par un tuyau d’échappement, comme indiqué. Parfois, les gaz d'échappement traversent une sorte d'échangeur de chaleur, soit pour extraire la chaleur dans un autre but, soit pour préchauffer l'air avant qu'il ne pénètre dans la chambre de combustion.

La discussion ici est évidemment un peu simplifiée. Par exemple, nous n’avons pas abordé les domaines des roulements, des systèmes de lubrification, des structures de support internes du moteur, des aubes de stator, etc. Tous ces domaines deviennent des problèmes techniques majeurs en raison des températures, des pressions et des vitesses de rotation extrêmes dans le moteur. Mais les principes de base décrits ici régissent tous les moteurs à turbine à gaz et vous aident à comprendre la structure et le fonctionnement de base du moteur.

Variations de turbines à gaz

Comment fonctionnent les moteurs à turbine à gaz: moteur

Les gros porteurs utilisent ce qu'on appelle turboréacteur les moteurs, qui ne sont rien de plus que des turbines à gaz combinées à un gros ventilateur à l'avant du moteur. Voici la présentation de base (très simplifiée) d'un moteur à double flux:

Vous pouvez voir que le cœur d'un turboréacteur à double flux est un moteur à turbine à gaz normal tel que celui décrit dans la section précédente. La différence est que l’étage final de la turbine entraîne un arbre qui retourne à l’avant du moteur pour alimenter le moteur. ventilateur (montré en rouge sur cette image). Cette approche à arbres concentriques multiplessoit dit en passant, est extrêmement courant dans les turbines à gaz. En fait, dans de nombreux turboréacteurs plus gros, il peut en fait exister deux étages de compression complètement séparés, entraînés par des turbines distinctes, ainsi que la turbine à ventilateur, comme indiqué ci-dessus. Les trois arbres se chevauchent de manière concentrique.

Le ventilateur a pour but d’augmenter considérablement la quantité d’air traversant le moteur et, par conséquent, d’augmenter son rendement. poussée. Lorsque vous examinez le moteur d’un avion à réaction à l’aéroport, vous voyez ce ventilateur à l’avant du moteur. Il est énorme - de l’ordre de 3 m (10 pi) de diamètre sur les gros jets, ce qui permet de déplacer beaucoup d’air. L’air que le ventilateur déplace s’appelle "air de dérivation"(indiqué en violet ci-dessus) car il contourne la partie turbine du moteur et se dirige tout droit vers l'arrière de la nacelle à grande vitesse pour fournir une poussée.

UNE turbopropulseur moteur est semblable à un turboréacteur, mais au lieu d'un ventilateur, il y a un conventionnel hélice à l'avant du moteur. L'arbre de sortie se connecte à un boîte de vitesses pour réduire la vitesse, et la sortie de la boîte de vitesses fait tourner l'hélice.

Bases de la poussée

-L'objectif d'un moteur à double flux est de produire poussée faire avancer l'avion. La poussée est généralement mesurée en livres aux États-Unis (le système métrique utilise les newtons, où 4,45 Newtons équivalent à 1 livre de poussée). Une "livre de poussée" est égale à une force capable d'accélérer 1 livre de matériau à 32 pieds par seconde par seconde (32 pieds par seconde par seconde correspond à l'accélération fournie par la gravité). Par conséquent, si vous avez un moteur à réaction capable de produire une livre de poussée, il pourrait retenir une livre de matériau en suspension dans l'air si le jet était dirigé droit vers le bas. De même, un moteur à réaction produisant 5 000 livres de poussée pourrait contenir 5 000 livres de matériaux en suspension dans l'air. Et si un moteur de fusée produisait 5 000 livres de poussée appliquée à un objet de 5 000 livres flottant dans l'espace, l'objet de 5 000 livres accélèrerait à une vitesse de 32 pieds par seconde par seconde.

La poussée est générée selon le principe de Newton selon lequel "chaque action a une réaction égale et opposée". Par exemple, imaginez que vous flottez dans l'espace et que vous pesez 100 livres sur la Terre. Dans votre main, vous avez une balle de baseball qui pèse 1 livre sur la Terre. Si vous lancez la balle de baseball à une vitesse de 32 pieds par seconde (34 km / h), votre corps se déplacera dans la direction opposée (il réagir) à une vitesse de 0,32 pied par seconde. Si vous jetiez continuellement des balles de base-ball de cette façon à raison d'une à la seconde, vos balles de base-ball généreraient une livre de poussée continue. Gardez à l'esprit que pour générer cette livre de poussée pendant une heure, vous devez tenir 3 600 livres de balles de baseball au début de l'heure. Si vous voulez faire mieux, vous devez lancer les balles de baseball plus fort. En les "lançant" (avec une arme à feu, par exemple) à 3 200 pieds par seconde, vous produiriez 100 livres de poussée.

Poussée de moteur à réaction

-Dans un moteur à double flux, les balles de baseball que le moteur jette sont molécules d'air. Les molécules d’air sont déjà présentes et l’avion n’a donc pas à les transporter au moins. Une molécule d'air individuelle ne pèse pas beaucoup, mais le moteur en lance beaucoup et il les lance à très grande vitesse. La poussée provient de deux composants du turboréacteur:

  • le turbine à gaz lui-même - Généralement, une buse est formée à l'extrémité d'échappement de la turbine à gaz (non représentée sur cette figure) pour générer un jet de gaz d'échappement à grande vitesse. Une vitesse typique des molécules d’air sortant du moteur est de 1 300 mph (2 092 km / h).
  • le air de dérivation généré par le ventilateur - Cet air de dérivation se déplace à une vitesse plus lente que celle de la turbine, mais le ventilateur déplace beaucoup d’air.

Comme vous pouvez le constater, les moteurs à turbine à gaz sont assez courants. Ils sont également assez compliqués et repoussent les limites de la dynamique des fluides et de la science des matériaux. Si vous voulez en savoir plus, un endroit intéressant à visiter serait la bibliothèque d’une université dotée d’un bon département d’ingénierie. Les ouvrages sur le sujet ont tendance à être coûteux, mais deux textes bien connus sont "Technologie des moteurs à turbine à gaz pour aéronefs" et "" Éléments de propulsion de turbines à gaz ".

Il y a une quantité surprenante d’activités dans l’arène des turbines à gaz, et vous pouvez trouver d’autres personnes intéressées par le même sujet en participant à des groupes de discussion ou à des listes de diffusion sur le sujet.

Pour plus d'informations sur les moteurs à turbine à gaz et sur des sujets connexes, consultez les liens à la page suivante.


Supplément Vidéo: Turbines à gaz Principe de fonctionnement.




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