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Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page 1
‫العلـــــــمي‬ ‫البحـــــــــث‬ ‫و‬ ‫العـــــــــــالي‬ ‫التعليـــــــــــم‬ ‫وزارة‬
‫للعلوم‬ ‫وهران‬ ‫جامعة‬‫والتكنولوجيا‬ ‫محم‬‫د‬‫بوضياف‬
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur Et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF
Mémoire de fin d'étude pour l'obtention du Diplôme de licence système LMD
Thème: Etude d'une Turbine à Gaz à deux arbres
Présenté par :
HEGNON Kwaku Godwin
Encadré par : SENOUCi Zine Eddine
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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Sommaire
Chapitre 1 : Généralités
1.1 Introduction
1.2 Définition
1.2.1 Définition par la norme iso 3977
1.3. Description de la turbine à gaz
1.4 Principe de fonctionnement d'une turbine a gaz
1.5 Classement de la turbine a gaz
1.6 Les éléments structuraux d'une turbine a gaz a deux arbres
1.7 Applications de la turbine à gaz
Limite Technique et Avantages
1.8 cycles thermodynamique
Chapitre 2 : Calcul thermodynamique d'une turbine
2 Calcul thermodynamique
2.1 D'après les données du constructeur
2.1.2. D'après les données de départ
2.1.3 Comparaisons des résultats
Conclusion
Chapitre3 : Maintenance d'une Turbine à Gaz
3.1 Définition de la Maintenance
3.2 But de la Maintenance
3.3 Différents types de Maintenance
3.4 Inspections Appliquées sur une Turbine à Gaz
Conclusion
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V Volume m³
P Pression bars
Peff Puissance effective KW
R Constante universelle J/mole.K
r constante spécifique du gaz J/Kg.K
T Température K
h enthalpie J/Kg
W travail J/Kg
Cp chaleur massique J/Kg.K
qm débit massique Kg/s
n rendement
y Exposant isentropique
M Masse Molaire g/mol
PCI Pouvoir Calorifique inferieur Kj/Kg.K
Q Quantité de Chaleur J/Kg
S Entropie Kj/Kg.K
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Chapitre 1 : Généralités
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1.1 Introduction
Durant ces dernières années , les turbines à gaz industrielles ont joué un rôle important dans
les systèmes d production de puissance, tels que les centrales nucléaire de puissance (NPP) ,
les centrales de production d'électricité et les unités des hydrocarbures.
1.2 Définition
Une turbine a gaz est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des
moteurs a combustion interne ayant pour but de produire de l'énergie mécanique a partir de
l'énergie contenue dans du fuel.
Selon le type d'énergie délivrée , les turbines à gaz se répartissent , les turbomoteurs
fournissant de l'énergie mécanique disponible sur un arbre et , d'autre part, les turboréacteurs
fournissant de l'énergie cinétique utilisable pour la propulsion.
Au premier abord nous allons parler des généralités sur les turbines a gaz , ensuite s'intéresser
au calcul thermodynamique de la turbine a gaz , et enfin aborder le coté maintenance .
1.2.1 Définition donnée par la norme iso 3977
La turbine a gaz est une machine transformant l'énergie thermique en énergie mécanique. Elle
comprend un ou plusieurs compresseurs axiaux ou rotatifs ; ou plusieurs dispositifs
réchauffant le fluide moteur , une ou plusieurs turbines , un système de régulation et des
auxiliaires essentiels.
Tout échangeur de chaleur se trouvant dans le circuit principal du fluide moteur
sera considéré comme faisant partie de la turbine à gaz.
1.3 Description de la turbine à gaz
La turbine à gaz est constituée :
- d'un générateur de gaz comprenant un compresseur d'air, une chambre de combustion et une
turbine de détente fournissant l'énergie mécanique nécessaire à l'entrainement du compresseur
d'air
- d'une turbine de puissance accouplée a l'alternateur
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1.4 principe de fonctionnement
Une turbine à gaz à double arbre possède deux turbines indépendantes. La première turbine
(turbine haute pression) est fermement raccordée au compresseur et l’entraîne. La deuxième
turbine (turbine utile) est mécanique et n’est pas reliée à la turbine à haute pression; elle
produit la puissance utile de l’installation.
Elle entraîne soit le véhicule, soit l’hélice ou bien encore un générateur. L’avantage de la
turbine à gaz à double arbre consiste en ce que le compresseur et la turbine à haute pression
sont utilisés avec une vitesse de rotation idéale pour la puissance. En revanche, la turbine utile
peut s’adapter de manière optimale à la
mission d’entraînement en termes de vitesse de rotation ou de couple. Alors que les véhicules
exigent une vitesse de rotation fortement variable, un alternateur synchrone doit être entraîné
avec une vitesse de rotation qui, dans la mesure du possible, est constante.
La turbine est exploitée avec du gaz combustible. Un compresseur auxiliaire à entraînement
électrique (ventilateur de démarrage) lance la turbine. A une vitesse de rotation minimum, on
insuffle du gaz combustible dans la chambre à combustion et il est allumé électriquement.
Après avoir atteint la vitesse de rotation de maintien, le compresseur auxiliaire est arrêté et la
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turbine tourne d’elle-même. La lubrification et le refroidissement des paliers de la turbine sont
assurés par un circuit d’huile avec des refroidisseurs d’huile et d’eau réglés de manière
thermostatique, une pompe à huile et un filtre à huile .Si la température de l’huile est trop
élevée ou si la pression de l’huile est trop faible, la turbine s’arrête automatiquement.
1.5 Classement des turbines à gaz
On peut classer les turbines à gaz en deux grandes familles :
- les turbines industrielles de types 1 ou 2 arbres
- les turbines type aviation à 2 arbres
Ces deux familles se différencient essentiellement par leur conception mécanique et la
technologie utilisée
1.5.1 Les turbines industrielles
Les turbines industrielles ou " heavy duty " sont des machines lourdes et assez
rustiques dont l'objectif principal est la longévité. Ce critère de longévité conduit à des
paramètres de fonctionnement peu sévères :
- Taux de compression en général compris entre 6 et 8
- Température d'entrée turbine limitée à 950 C
Avec ce type de machine on fait des révisions toutes les 20 000 ou 30 000 heures .
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1.5.2 Turbine à gaz à un seul arbre
Dans ce type d'installations , le compresseur d'air , les turbines de détentes et la machine
entrainée sont sur le même arbre. Cette conception est utilisée si une vitesse constante
d'opération est nécessitée.
1.5.3 Turbine a gaz a deux arbres
La turbine est séparée en deux ensembles rotatifs , une turbine de charge faisant tourner le
compresseur axial et l'équipement auxiliaire et une turbine de puissance libre pour produire de
la puissance utile. La turbine de puissance peut tourner dans une grande plage de nombre de
tours. La turbine de charge opérera dans son ordre de vitesse en ce qui concerne la charge
demandée sur la turbine de puissance. La conception à deux arbres en ligne est utilisée là où
les vitesses variables sont demandées , c'est à dire pour entrainer des compresseurs à gaz ou
pompes.
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Légende
1 Chambre de combustion 4 Turbine de puissance
2 Compresseur 5 Charge
3 Turbine de compression
Figure 3 — Turbine à gaz à cycle simple à deux lignes d'arbre (c'est-à-dire avec turbine de
puissance séparée)
1.6 Les éléments structuraux d'une turbine à gaz à deux arbres
l' ensemble de la turbine à gaz comprend trois sections :
compresseur , combustion et turbine
1.6.1 Section compresseur
Un étage de compresseur axial est composé d'une grilles d'aubes constituant le rotor ,suivie
d'une grille d'aubes fixes constituant le stator (diffuseur ou redresseur). Les passages
divergents des ailettes du stator transforment l'énergie cinétique en pression et augmente la
température du gaz.
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1.6.2 Le rotor
Le rotor se compose d'un jeu d'ailettes mobiles qui sont fixée sur la roue , et les aubes sont
fixées sur le disque.
La rotation du rotor aspire l'air sans choc par la petite section du rouet , la vitesse axiale se
transforme progressivement en vitesse radiale , les canaux d'écoulement sont divergents et
assurent et un accroissement de la pression statique. Dans le diffuseur la pression continue à
s'accroitre.
Pour la fabrication on utilise des alliages légers , des aciers ou du titane.
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1.6.3 Le stator
Le stator est formé par deux demis carters du compresseur munis de plusieurs étages d'aubes.
Et de joint horizontal dans lesquels sont montées les grilles d'aubes de chaque étage.
La rotation de la grille mobile du rotor aspire l'air et lui communique une vitesse axiale ,
une vitesse tangentielle ainsi qu'une augmentation de la pression statique. A la sortie du rotor ,
l'air est animé d'une vitesse V. Les canaux divergents de la grille fixe du stator réduisent la
vitesse et augmentent la pression
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1.6.4 Section chambre de combustion
La chambre de combustion à pour but de fournir de l'énergie thermique au cycle de turbine à
gaz , grâce a la réaction chimique air + combustible initié par la flamme afin de produire des
gaz chauds à une température désirée
La chambre a combustion a pour rôle:
- élever la température du fluide moteur en écoulement permanent par la combustion d'un
carburant
- Obtenir une distribution uniforme de la température à la sortie de la chambre
- Réduire les pertes de charges
- Stabiliser la flamme
La chambre de combustion se compose de 03 parties :
La zone primaire
Le combustible injecté dans la chambre de combustion est mélangé avec un tiers de l'air
comprimé total , une partie de cet air primaire est livrée par les aubes de rotation d'air fixe qui
sont montées autour du bruleur ; une autre partie entre dans une rangée de trous , la zone
primaire est la zone de combustion principale
La zone secondaire
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Les gaz brulés qui quittent la zone primaire sont très chauds et il faut baisser leur température
pour éviter que les parois du tube de flamme ne surchauffent. C'est pour cela qu'il faut une
injection d'air par une deuxième rangée de trous appelée ( air secondaire) dans cette zone les
traces finales du combustible sont brulées
La zone mixte
L'air qui est resté est ajouté au gaz chaud du tube de flamme. Dans cette zone un petit
nombre de trous à grand diamètre sont utilisés pour avoir une grande turbulence et un bon
mélange gazeux avant l'entrée de la turbine pour avoir de la température voulue.
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1.6.5 Section turbine
La transformation subie pour le fluide dans la turbine étant supposée adiabatique et réversible.
Les canaux dans lesquels cet écoulement a lieu sont disposés à réaliser le mieux possible la
transformation de l'énergie cinétique du fluide en travail.
Cette transformation a lieu dans ou plusieurs étages . Chacun se compose de grilles
d'aubes qui sont cylindriques. Il y a les aubages fixes qui transforme l'énergie de pression en
énergie cinétique augmentant ainsi la vitesse.
Le passage convergent formé entre les aubages mobiles transforme l'énergie de pression en
énergie cinétique et l'énergie cinétique en énergie mécanique disponible sur l'arbre de la
machine qui donne une baisse de pression , température et de vitesse.
Turbine à haute pression
Les gaz brulés venant de la chambre de combustion avec des paramètres P3 et T3 pénètre
dans la turbine et se détende jusqu'à la pression P4 et la température T4 cette turbine a haute
pression a un rôle unique qui est l'entrainement du compresseur.
La puissance qu'elle fournie est juste égale à celle absorbée par le compresseur . Cette turbine
est faite pour entrainer les accessoires ( pompe à huile , pompe à combustible....etc.) et
vaincre la résistance des paliers.
Turbine libre
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La turbine libre est une turbine de puissance , indépendante du générateur de gaz . Elle utilise
une chute de pression de P4 à P5 à l'échelle ou correspond une différence de température
d'arrêt qui est donné sur l'arbre de puissance
1.6.6 Echappement
En général , les gaz d'échappement de la turbine à gaz sont rejetés dans l'atmosphère d'une
manière sure à créer le minimum de contre pression. Mais dans notre cas les gaz sont
récupérés pour chauffer l'huile du four auxquels est associée la turbine car il contient (14% à
17%) d'oxygène pouvant alimenter le bruleur qui fera augmenter la température et par la suite
la puissance thermique.
1.7 Applications de la turbine à gaz
Limites techniques et Avantages
La turbine à gaz présente de sévères limitations dues aux contraintes techniques de sa
réalisation. Ces principales limites sont les suivantes :
• taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre d’étage de compression
nécessaires,
• baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à un régime plus faible
que le régime nominal,
• température de combustion (et donc rendement) limitée par la résistance mécanique de
la turbine.
• chute importante du rendement à charge partielle en particulier pour les machines à
simple arbre.
• coût d’usinage des aubages notamment de la turbine.
• Inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs.
• Coût de maintenance plus élevé que pour un moteur diesel
• Bien qu'à l'étude, les turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairement
au moteur diesel. Elles utilisent donc des carburants chers.
Les avantages inhérents à ce type de machine sont les suivants :
• Puissance massique et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu,
• simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et
équilibrage (peu de vibrations),
• pollution limitée en HC et NOx du fait de l’excès d’air et de la température limitée,
• aptitude à la récupération de chaleur (cogénération),
• longévité en marche stationnaire.
• aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz
pauvre, fuel lourd).
Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques.
Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique particulier sur
les hélicoptères. La propulsion navale fait également de plus en plus appel aux turbines à gaz
notamment pour les navires à grande vitesse.
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Par contre, la turbine à gaz est mal adaptée aux véhicules routiers. En effet, les variations de
charge et de régime sont trop importantes et trop rapides pour être réalisables avec un
rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30% pour des moteurs
compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dépassent 40%. Par contre, elles
pourraient trouver un regain d’intérêt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier
sur les poids lourds, où l’installation des échangeurs (notamment récupérateur sur
échappement) est moins problématique.
L’autre grand domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il
s’agit d’applications à régime constant et à charge relativement constante pour lesquelles le
rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW à
près de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à
vapeur dans des cycles combinés dont le rendement global tend actuellement vers 60%. En
cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 à 35% voire plus pour les grosses machines.
Dans les faibles puissances, le rendement est même inférieur à 30% mais on met alors à profit
l’aptitude des turbines à combustion pour la récupération de chaleur dans des applications de
cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur).
1.8 CYCLES THERMODYNAMIQUES
Les centrales de turbines à gaz peuvent travailler avec un cycle à pression constante (cycle de
Joule ou de Brayton) ou un cycle à volume constant (cycle d’Atkinson). Pour un but d’analyse
théorique du cycle, on suppose que la centrale à turbine à gaz fonctionne avec un circuit
fermé.
1.8.1 Cycle fermé et ouvert
Les éléments du cycle indirect sont semblables à ceux du cycle direct sauf qu’ici l’air est un
fluide secondaire qui reçoit sa chaleur d’un liquide réfrigérant primaire dans un échangeur de
chaleur. Ce cycle convient pour des usages où les soucis environnementaux empêchent l’air
de recevoir la chaleur directement, comme d’un réacteur nucléaire où les dégagements de
radioactivité peuvent aller à l’atmosphère. L’utilisation de réacteur nucléaire est cependant,
mieux servie par un cycle fermé.
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Dans le cycle fermé le liquide réfrigérant de gaz est chauffé dans le réacteur, détendu dans la
turbine, refroidit dans un échangeur de chaleur, et comprimé de nouveau au réacteur. Dans ce
cycle un gaz autre que l’air peut être employé. Aucun effluent des gaz radioactifs ne passe
dans l’atmosphère en fonctionnement normal. Les cycles fermés permettent la pressurisation
du fluide de fonctionnement avec la réduction conséquente de la taille des machines rotatives.
Le fluide de fonctionnement le plus approprié est dans ce cas l’hélium.
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1.8.2 Cycle de Brayton
Le cycle de Brayton est le procédé thermodynamique qui gouverne le fonctionnement des
turbines à combustion ou à gaz.
1.8.3 Cycle idéal
Dans le cycle idéal de Joule les processus : la compression (1 - 2) et la détente (3 - 4) se
produisent dans le compresseur et la turbine sont supposés isentropiques. La chaleur
additionnée (2 - 3) dans l’échangeur de chaleur (chambre de combustion) et le rejet (4 - 1) se
produisent à pression constante.
D’autres hypothèses pour le cycle idéal de Joule sont comme suit:
- Les pertes de pression dans les échangeurs de chaleur et les passages reliant les équipements
sont négligeables.
-Le fluide de fonctionnement est un gaz parfait.
- L’efficacité des échangeurs de chaleur est 100%.
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1.8.4 Cycle réel
Dans le cycle réel à pression constante le travail dans le compresseur et la turbine est
adiabatique au lieu d’isentropique. Dans une installation réelle de turbine à gaz, les pressions,
durant les processus (2-3) et (4-1), ne demeurent pas constantes à cause des pertes inhérentes
de pression dans les circuits d’air et de gaz. Par conséquent les rapports de pression et de
température dans le compresseur et la turbine ne sont plus identiques. La réduction double du
rapport de pression de turbine réduit le travail de l’installation et le rendement thermique.
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Par conséquent Les rendements de compresseur et de turbine sont :
En l’absence des pertes de pression les rapports idéaux de pression et de température pour le
compresseur et la turbine sont les même qu’avant. Les valeurs réelles du travail de turbine et
du compresseur sont indiquées par :
Le travail net est donné par :
La chaleur spécifique fournie dans la chambre de combustion est exprimée par :
Donc le rendement de cycle est donné par :
1.8.5 Cycle d’Atkinson
Egalement les processus de compression et de détente sont isentropiques dans ce cycle.
L’addition de la chaleur a lieu à volume constant et son rejet à pression constante. Les
difficultés pratiques de réaliser l’addition de la chaleur à volume constant et le déplacement
intermédiaire de l’écoulement dans l’installation ont été certes les obstacles majeurs dans son
développement. Pour quelques applications industrielles, ce cycle a été profitablement
employé à une unité combinée de turbine à gaz et de turbine à vapeur.
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Chapitre 2 : Calcul Thermodynamique d'une Turbine a Gaz
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2. Calcul thermodynamique :
2.1. D’après les données du constructeur :
Calcul thermodynamique de l’ITG à deux lignes d’arbre, en tenant compte les différentes
pertes dans les différents éléments de l’installation et sans récupération (d’après les données
du
constructeur)
Cette installation de turbine à deux lignes d’arbre est très largement utilisée par les sociétés
pétrolières dans tous les domaines et particulièrement dans les stations de compression des
gaz.
Pour le calcul nous avons pris une ITG de 𝛆 =16,8 et de puissance de 13400kW d’après les
données du constructeur qui sont :
Paramètres de l’air ambiant :
- Température de l’air ambiant : T1=15℃ ⇒ T1= 288 K.
- Pression de l’air ambiant : P1= 1.013 bars.
Paramètres de fonctionnement de compresseur, de chambres de combustion et de
la turbine haute pression :
- Taux de compression du compresseur axiale : ε = 16.8
- Rendement du compresseur : ηic = 0.87℅
- Rendement de chambres de combustion : ηcc = 0.97℅
- Température à la sortie des chambres de combustion : T3= 1256℃ ⇒ T3= 1529 K.
Rendement mécanique de la transmission :
- Rendement compresseur – Turbine THP : ηmec = 0.98℅
- Rendement de la turbine THP : ηiTHP = 0.88℅
- Vitesse de rotation de la THP : N = 14100 tr/min.
Paramètre de fonctionnement de la turbine de puissance (TBP) :
- Rendement de la turbine TBP : ηiTBP = 0.88℅
- Puissance utile Pu= 13400 KW.
Rendement mécanique de la transmission :
- Turbine TBP – Charge : ηm= 0.98
- Vitesse de rotation de la turbine TBP : N = 9000 tr/min.
Caractéristique du fluide moteur :
- Pouvoir_calorifique_inferieur_du_combustible
- _PCi_=8500 Kcal/m3. °C = 12898.33 Kcal/Kg °C = 53915.022 KJ/Kg °C
Rendement thermique global :
- Le rendement : ηth = 36,2℅
Les points particuliers du cycle de l’installation :
1 : Entrée dans le filtre.
1a, 1b : Entrée et sortie du diffuseur à l’entrée du compresseur.
2a, 2b : Entrée et sortie du diffuseur à la sortie du compresseur.
2 : Entrée de la chambre de combustion.
3 : Sortie de chambre de combustion.
3a, 3b : Entrée et sortie du diffuseur à l’entrée de la THP.
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4a, 4b : voix de passage entre les deux roues de la TAG.
5a, 5b : Entrée et sortie du diffuseur à la sortie de la TBP.
1b : Section avant le premier étage du compresseur.
2a : Section après le dernier étage du compresseur.
3b : Section avant le premier étage de la THP.
4a : Section après le dernier étage de la THP.
4d : Section avant le premier étage de la TBP.
5a : Section après le dernier étage de la TBP.
Représentation schématique d'une turbine à gaz à deux arbres
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diagramme T-s
Calcul thermodynamique à deux lignes d’arbre, en tenant compte les différentes pertes dans
les différents éléments de l’installation et sans récupération (sur site)
Dans les conditions réelles d’exploitation des turbines à gaz celle-ci sont généralement
confrontée à des températures in situ qui a voisinent souvent 35°C en été.
2.1.2. D’après les données de départ :
-Température ambiante :𝑇 𝑎𝑚𝑏=26 °C=299K ;
- La pression atmosphérique :𝑃 𝑎𝑡𝑚=1,013 bar ;
- Taux de compression :𝜀 =16.8 bar ;
- Coefficient d’excès d’air : α=3

Calcul de la masse volumique
La masse volumique de l’air à l’entrée du filtre est :
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➢Paramètres de l’air avant le premier étage du compresseur :
P1b = P1 - ΔP.
ΔP = ΔP1+ ΔP2 + ΔP3.
Avec : ΔP1 : Pertes de pression d’arrêt dans le filtre d’air.
ΔP2 : Pertes de pression dans la conduite.
ΔP3 : Pertes de pression dans le diffuseur à l’entrée du compresseur.
- La résistance aérodynamique du filtre d’air d’une ITG moderne est très faible, elle est
égale habituellement Δ𝐏 𝟏 = 0,015 Bar.
- Les pertes de pression dans conduites d’air dépondent de la vitesse d’air (Ca) qui est de
30 à 50 m/s.
Soit dans notre cas Ca = 40m/s.
Les pertes de pression sont égales à :
Où :
L et d : sont la longueur et le diamètre de la conduite.
ξ : Coefficient d’expérience.
Admettant que la perte de pression dans cette conduite est égale à : Δ𝐏𝟐 = 0,005.Bar.
- La perte de pression dans le diffuseur d’entrée du compresseur est déterminée par la
formule suivante :
Où :
η : Rendement de diffuseur.
C1a Et C1b : Vitesse à l’entrée et à la sortie du diffuseur.
Le rendement de diffuseur varie de 0,85 à 0,95.
Prenons : C1b = 100m/s et η = 0,9.
Les pertes de pression à l’entrée du compresseur :
ΔP = ΔP1+ ΔP2 + ΔP3.
ΔP = 0,015.10⁵ + 0,005.10⁵+ 574
Δ𝐏 = 2,5. 𝟏𝟎³Pa = 0,025. 𝟏𝟎⁵Pa
Les paramètres d’entrée au point b sont alors les suivants :
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- P1b = P1 - ΔP = 1,013.10⁵- 0,0257. 10⁵ = 0,987. 10⁵ Pa
➢Paramètres de l’air après le dernier étage du compresseur (point 2a) :
Evaluons la température à la sortie du compresseur à T2a= 645.21°K. Alors la température
moyenne de l’air dans le compresseur :
En utilisant cette température moyenne et les graphiques Cp=f(t) et γ = f(t), déterminons les
valeurs moyennes de Cp et γ :
Et comme : r = Cp. m = 1010 × 0,283 = 286 j/Kg.K
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➢Les paramètres de l’air avant la chambre de combustion :
➢Les paramètres du gaz après la chambre de combustion :
On évalue les pertes aérodynamiques pendant l’apport jusqu'à 1℅ de la pression de l’arrêt à
l’entrée de la chambre de combustion
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➢Les paramètres du gaz avant le premier étage de la turbine THP :
➢Les paramètres du gaz après le dernier étage de la THP :
Le rapport de pressions de la THP peut être déterminé en faisant le bilan énergétique du
générateur du gaz (compresseur axial – Turbine).
Où :
Ma, Mg : Débits massiques de l’air et des gaz.
Wcr , WTHP : Travaille mécanique du compresseur et de la turbine THP, qui tiennent compte
les pertes mécaniques.
Admettons que : ηmec(cr) = ηmec(THP) = 0,98 ; et en première approximation : Ma = Mg.
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Alors nous obtenons :
Wcr = WTHP . ηmec(THP) . ηmec(cr)
➢Les paramètres avant le premier étage de la TBP :
La pression d’arrêt :
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➢Les paramètres après le dernier étage de la TBP :
La pression statique à la sortie du silencieux P5 est égale à la pression atmosphériqueP1.
Si la vitesse à la sortie du silencieux C5= 20 m/s et ρ5= 0,95 Kg/m3, nous avons alors:
Admettons que la vitesse à la sortie du dernier étage de la TBP est C5a = 90 m/s et que
les pertes de pression dans les parties 5a ,5b et 5b, 5 sont égale à 1,5℅ :
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
➢Débits massiques et rendements :

➢Travaux massiques de la TBP :
Sur l’arbre de la machine réceptrice, la puissance égale à 13,4MW, le débit massique des gaz
(Gg)
TBP
.
Trouvant la (Gg)TBP :
Avec :
ηcc : Le rendement thermique de la chambre de combustion qui tient compte la combustion
incomplète et les pertes de chaleur vers le milieu extérieur.
qc : Débit massique de combustible
qr : Débit massique relatif de l’air de refroidissement
qf : Débit massique relatif des fuites
qc = 0,01788 kg/s
qr = 0,05 kg/s
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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34
qf = 0,01 kg/s
Tableau 2.1 Les résultats de calcul d'après les données
2.1.3. Comparaison des résultats :
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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35
Tableau 2.2 Comparatif des résultats obtenus
Enfin on observe les résultats principaux obtenus. Dans le régime considéré nous avons
les diminutions des caractéristiques principales :
Conclusion :
A partir de ce calcul thermodynamique, on peut voir clairement l’influence très importante
de la température de l’air à l’entrée du compresseur axial, cela provoque en premier lieu la
variation des rapports de compression de l’air de combustion, dont la puissance diminue
quand
la température de l’air atmosphérique aspiré augmente.
Cela a naturellement aussi son influence sur la diminution de rendement thermique de la
turbine à gaz de 36, 2% à 31,1%, ce qui influe négativement sur l’exploitation de la turbine.
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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36
PROGRAMMATION EN FORTRAN
Program tag
real mc1,mc2,p2(5),t2(6),T3(5),wc,wt
P1=1.
T1=288.
data (p2(i),i=1,5)/5.,7.5,10.,12.5,15./ !initialisation de P2
data (t3(i),i=1,5)/923.,948.,973.,998.,1023./ !initialisation de T3
g=(1.4-1.)/1.4
cp=1.0045
ma=5. !debit d'entree d'air
PCI=45119. !Pouvoir calorifique inferieur Gaz
Naturelle
rendm=0.95 !rendement mecanique
rend=0.85 !rendement
!compression
open(1,file='results.dat',status='unknown')
do i=1,5
T2s=T1*(P2(i)/P1)**g
T2(i)=T1+(T2s-T1)/rend
wc=cp*(T2(i)-T1)
write(1,*)'******************************'
write(1,*)'P2=',P2(i)
write(1,*)'T2=',T2(i)
write(1,*)'wc=',wc
do j=1,5
!combustion1
P3=P2(i)
q1=cp*(T3(j)-T2(i))*ma
mc1=q1/PCI
write(1,*)'>>>>>>>>>>>>>'
write(1,*)'T3=',T3(j)
write(1,*)'puissance combustion 1 q1=',q1
write(1,*)'mc1=',mc1
!turbine1
T4s=T3(j)-((T2s-T1)/rendm)
P4=P3*(T4s/T3(j))**(1/g)
wts=cp*(T3(j)-T4s)
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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37
wt=rend*wts
T4=T3(j)-wt/cp
write(1,*)'T4=',T4
write(1,*)'P4=',P4
!detendeur ouvert
P5a=P4
T5a=T4
!detendeur en marche
T5=T4
P7=1.
T7s=T4*(P7/P4)**g
T7=T4-(T4-T7s)*rend
T7ds=T5-0.5*(T4-T7)
T7d=T5-(T5-T7ds)/rend
P5=P7*(T5/T7d)**(1/g)
write(1,*)'T7,T7d,P5=',T7,T7d,P5
!combustion2
do k=0,3
diff=300.+k*25.
T6=T5+diff
T6a=T5a+diff
P6=P5
P6a=P5a
q1b=cp*(T6-T5)*(ma+mc1)
mc2=q1b/PCI
write(1,*)'T6-T5=',diff
write(1,*)'puissance combu 2 q1b=',q1b
write(1,*)'mc2=',mc2
write(1,*)'***********'
!turbine2
P7=1.
T7a=T4*(P7/P4)**g !detendeur ouverte - CC2
T7=T4-((T4-T7a)/rend)
wt2=cp*(T4-T7)*(ma+mc1+mc2)
write(1,*)'Det ouvert sans CC2 T7=',T7a
write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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38
!rendements
pelec=wt2*rendm !puissance electrique
rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement
thermique
rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement
global
rendc=1-(T1/T3(j)) !rendement
carnot
rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement
d'installation
write(1,*)'puissance elec=',pelec
write(1,*)'rendement thermique =',rendt
write(1,*)'rendement global =',rendg
write(1,*)'rendement carnot =',rendc
write(1,*)'rendement installation=',rendi
write(1,*)'******'
T7b=T6a*(P7/P6a)**g !detendeur ouverte + CC2
T7=T6a-((T6a-T7b)/rend)
wt2=cp*(T6-T7)*(ma+mc1+mc2)
write(1,*)'Det ouverte avec CC2 T7=',T7b
write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2
!rendements
pelec=wt2*rendm !puissance
electrique
rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement
thermique
rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement
global
rendc=1-(T1/max(T3(j),T6a)) !rendement
carnot
rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement
d'installation
write(1,*)'puissance elec=',pelec
write(1,*)'rendement thermique =',rendt
write(1,*)'rendement global =',rendg
write(1,*)'rendement carnot =',rendc
write(1,*)'rendement installation=',rendi
write(1,*)'******'
T7c=T5*(P7/P6)**g !detendeur en
marche - cc2
T7=T5-((T5-T7c)/rend)
wt2=cp*(T5-T7)*(ma+mc1+mc2)
write(1,*)'Det en marche sans CC2 T7=',T7c
write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2
!rendements
pelec=wt2*rendm !puissance electrique
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
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rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement
thermique
rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement
global
rendc=1-(T1/T3(j)) !rendement
carnot
rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement
d'installation
write(1,*)'puissance elec=',pelec
write(1,*)'rendement thermique =',rendt
write(1,*)'rendement global =',rendg
write(1,*)'rendement carnot =',rendc
write(1,*)'rendement installation=',rendi
write(1,*)'******'
T7d=T6*(P7/P6)**g !detendeur en
marche + cc2
T7=T6-((T6-T7d)/rend)
wt2=cp*(T6-T7)*(ma+mc1+mc2)
write(1,*)'Det en marche avec CC2 T7=',T7d
write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2
!rendements
pelec=wt2*rendm
!puissance electrique
rendt=wt2/(q1+q1b)
!rendement thermique
rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt
!rendement global
rendc=1-(T1/max(T3(j),T6)) !rendement
carnot
rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement
d'installation
write(1,*)'puissance elec=',pelec
write(1,*)'rendement thermique =',rendt
write(1,*)'rendement global =',rendg
write(1,*)'rendement carnot =',rendc
write(1,*)'rendement installation=',rendi
write(1,*)'******'
enddo
enddo
enddo
end
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
40
Chapitre 3: Maintenance d'une Turbine à Gaz
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
41
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
42
Introduction :
Les installations et les équipements ont tendance à se détériorer dans le temps sous
l’action de causes multiples (usure, déformations, corrosions…). Ces détériorations
peuvent provoquer l’arrêt définitif ou momentané qui influera sur les capacités de
production et mettre la sécurité du personnel en danger.
Pour améliorer la production et la bonne conduite des différents équipements, les
ingénieurs ont mis en place une maintenance dont ils ne peuvent s’en passer, car elle est
devenue indispensable pour les entreprises.
3.1. Définition de la maintenance :
C’est l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un
état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé l .
3.2. But de la maintenance :
Parmi les buts essentiels de la maintenance on cite :
-Prolonger la durée de vie du matériel.
-Diminuer le temps d’arrêt en cas de panne.
-Faciliter la gestion des stocks.
-Amélioration de production en optimisant les coûts engendrés des différentes opérations
de maintenance.
-Assurer le bon fonctionnement du matériel
3.3. Différents types de maintenance :
On distingue deux types de maintenance : la maintenance préventive et la maintenance
corrective.
Figure 3.1: Organigramme de maintenance
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
43
3.3.1. La maintenance préventive :
Elle vise à diminuer la probabilité de défaillance d’un système, pour cela elle s’appuie sur
la maintenance systématique et la maintenance conditionnelle.
La maintenance préventive se divise en deux formes essentielles.
3.3.1.1. Maintenance préventive systématique :
C’est la maintenance qui est effectuée selon un échéancier établi en fonction du temps, ou du
nombre d’unités d’usage, cette maintenance se pratique quand on souhaite procurer à un
équipement une sécurité de fonctionnement.
3.3.1.2. Maintenance préventive conditionnelle :
C’est une maintenance subordonnée à un type d’événement prédéterminé révélateur de l’état
de dégradation du bien. Cette forme de maintenance permet d’assurer une surveillance
continue
des points sensibles de l’équipement au cours des visites préventives dont le rôle est d’élimine
les pannes accidentelles ou de les réduire à un niveau acceptable.
Il existe un troisième type de maintenance qui est la maintenance méliorative, qui consiste à
débarrasser définitivement les causes de défaillance par des modifications, ce type de
maintenance est nécessaire pour :
-Déterminer les causes réelles du problème traité.
-Imaginer les remèdes adaptés à leur suppression.
3.3.1.3. Avantages et inconvénients de la maintenance préventive :
o Avantage
-Bonne préparation de l’intervention.
-Durée de mobilisation du matériel minimisée.
-Facilité de programmation et de planification des travaux.
o Inconvénients
-Frais de gestion des stocks importants.
-Frais dus à la planification.
-Charges supplémentaires dues formation du personnel.
3.3.2. La maintenance corrective :
Elle s’applique après la panne et consiste au dépannage ou à la réparation.
Maintenance corrective(curative) :
-Selon AFNOR :
« Opération de maintenance effectuée après détection d’une défaillance »
Elle consiste à remettre l’équipement en état de marche lors d’une panne.
La maintenance corrective débouche sur deux types d’intervention :
3.3.2.1. Les dépannages :
Ils Consistent à la remise en marche provisoire de l’équipement. Ils caractérisent la
maintenance palliative.
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
44
3.3.2.2. Les réparations :
Dans ce cas la maintenance sera une intervention définitive et limitée, elles caractérisent la
maintenance curative. Donc la maintenance corrective assure :
-Une amélioration éventuelle (correction), visant à éviter la répétition de panne ou à
minimiser ses effets sur le système (surveillance par analyse de vibrations).
-Une mise en mémoire de l’intervention permettra une amélioration ultérieure.
3.3.2.3. Avantage et inconvénients de la maintenance corrective :
Avantage
-Un budget d’entretien moyen.
-Coût direct minimisé.
-Frais de gestion de stocks non important.
Inconvénient
-Temps d’arrêt et d’intervention trop élevé.
-Coût de maintenance élevée.
-Achats des pièces de rechange à un prix élevé
3.4. Les inspections appliquées sur la turbine à gaz
Introduction :
Les installations techniques représentent un important capital investi. Ce capital doit
être préservé et géré avec efficacité. La division de maintenance nécessite de réunir un vaste
éventail de compétences dans des domaines variés, ce qui conduit à l'organisation de la
maintenance autour de 4 services : services Inspection, électricité, instrumentation et
mécanique industrielle.
Un programme de maintenance préventive est une nécessité primaire afin d'assurer la
gestion correcte des installations conduites par des turbines à gaz où les arrêts forcés de
l'installation doivent être réduits au minimum. Et pour cela nous pouvons classer les
inspections de la turbine en deux types :
Types d’inspection :
Deux types principaux ont été distingués pour les pièces les plus sujettes à l’action des
gaz de combustions, les inspections peuvent être classifiées comme suit :
3.4.1. Inspection en fonctionnement (maintenance conditionnelle) :
Celles-ci consistent en la surveillance continue et générale de l’unité et des auxiliaires
avec la turbine en marche.
Il est conseillé d’enregistrer les paramètres principaux pendant les premiers démarrages
et la marche de la turbine : en effet, cette opération sert à avoir des valeurs de référence sur la
consommation, les performances, etc., quand la machine est neuve. Ceci permettra une
meilleure évaluation de tout changement de fonctionnement de la turbine à gaz au cours de sa
vie et aidera à découvrir les causes des défauts possibles et à choisir la solution appropriée.
Les données de fonctionnement doivent être acquises dans les phases transitoires
(démarrage, arrêt) et en condition de régime permanant.
Les paramètres principaux de l’inspection en marche sont :
Vitesse de la roue HP et BP ;
Charge ;
Nombre de démarrage ;
Nombre d’heures de fonctionnement ;
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
45
Pression et température aux différents points de la turbine ;
Température et pression ambiante ;
Pression d’huile et du combustible ainsi que les différents filtres ;
Vibrations des rotors de la turbine HP et BP ;
3.4.2. Inspections préventive périodique :
3.4.2.1. Inspection de la machine pas démontée :
Les taches principales selon inspection préventive périodique sont :
Tous les jours
-Vérifier l'étanchéité de la turbine
-Vérifier l'étanchéité des systèmes hydraulique, de Carburant et d'huile de
lubrification
-Vérifier le niveau de l'huile de lubrification
-Vérifier tous les auxiliaires de la turbine (autonettoyant, système d’aération)
Chaque semaine
-Effectuer un lavage à chaud ou de préférence un lavage à froid.
Tous les mois
-Effectuer un lavage à froid
-Vérifier la pression du tuyau du reniflard
-Vérifier le niveau du produit extincteur et vérifier le bon état du système
-Tester le système gaz et incendie
-Vérifier que le conduit d'admission d'air n'est pas rouillé ni endommagé, nettoyer avec
le dispositif de nettoyage à impulsions.
-Actionner le système d'huile de lubrification d'urgence pour tester son intégrité
Tous les trois mois
-Effectuer une vérification des vibrations
-Vérifier l'intégrité des pompes d'huile de lubrification d'urgence, auxiliaire et
principale
-Vérifier que tous les boulons de fixation de l'unité entraînée et de la turbine sont serrés
Tous les six mois
-Vérifier que les dispositifs anti-retours de flammes sont propres
-Vérifier que le désembueur d'huile n'est pas obstrué
3.4.2.2. Inspection de la machine démontée (maintenance préventive systématique) :
L’inspection programmée est structuré en un plan d'entretien basé sur les
recommandations de la société SIEMENS.
Les vérifications de service de l’ensemble sont effectuées tous les ans, et les contrôles de
service du turbomoteur sont réalisés sur la base d’un nombre équivalent d’heures (type de
turbomoteur, conditions d'exploitation, type de carburant, charge, heures de fonctionnement)
Inspections nécessitant le démontage des enveloppes afin d’accéder aux pièces internes selon
le degré d’inspection, les inspections peuvent être distinguées comme suite :
Inspection type A « 9000 heures » visite du système de combustion et générateur de
gaz et la zone de la turbine par baroscope.
Inspection type B «27000 heures » visite du système de combustion et générateur de
gaz et la zone de la turbine par baroscope et déposé.
Inspection type C « 54000 heures » visite et remplacer des composants du système de
combustion et visite générateur de gaz.
Inspection type D « 54000 heures » révision complète sur la Turbine de puissance,
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
46
selon l'état remplacement des composants arrivés en fin de vie.
Dans le plan d’entretien, on calcule les heures équivalentes selon la formule ci-après.
Heures équivalentes = heures d’exploitation/an + (10 x démarrages/an)
REMARQUE : le minimum requis est une inspection annuelle de type A pour le
générateur de gaz, la combustion et la turbine de puissance, indépendamment des heures
équivalentes. Pour un plan d'entretien type basé sur 8 500 heures d'exploitation par an, se
référer au (Tab 1).
Tableau
Tableau 1 : Plan de maintenance typique
Inspection type A: (Tab 2.3.4.5)
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
47
Tableau 2 : Inspection type ‘a’ pour Générateur de gaz
Tableau 3 : Inspection type ‘a ’pour Système de Combustion
Tableau 4 : Inspection type ‘a ’Pour Turbine de puissance
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
48
Tableau 5 : Inspection type ‘a’ Pour Systèmes auxiliaires du moteur
Inspection type B : (Tab 6)
Pour Générateur de gaz, Système de Combustion et Turbine de puissance.
Comme pour l’inspection type A.
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
49
Tableau 6 : Plan de maintenance type B
Inspection type C et D (Inspection Général) : (Tab 7.8)
Inspection type C pour Générateur de gaz et Système de Combustion, l’inspection type D
pour la turbine de puissance.
Les inspections type C, D comme pour l’inspection type B mais remplacer les composants du
système de combustion et la turbine de puissance.
Tableau 7: Plan de maintenance type C
Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017
Page
50
Tableau 8: Plan de maintenance type D
CONCLUSION
L’étude d’amélioration de la performance d’une turbine à gaz est très importante. Il nous
ramène à faire choix économique et fiable pour l’assurance de disponibilité de l’énergie. Un
des moyennes récentes utilisées est de mettre un diffuseur à la sortie de turbine qui augmente
la détente dans la turbine. Un autre critère en marche est d’injection de vapeur dans la
chambre de combustion. Avec l’avancement des matériaux mécaniques, maintenant on peut
fabriquer des turbines avec plus de résistances.
Notre étude était d’une installation pratique, et notre intérêt était sur l’effet de détendeur à la
puissance utile. Une turbine ne peut pas être utilisée en mode puissance max toujours, cela
nous établir importance des vannes de règlement de débit. Malheureusement ces détendeurs
rendent l’installation d’être moins efficace avec plus des pertes. Comme le rendement de
Carnot est de l’ordre 0.7, déjà on remarque qu’il existe trop des pertes dans une turbine à gaz
car le rendement est de l’ordre 0.40 si le détendeur est ouvert.
On conclure que cette travail modeste nous aide à comparer est étudier la variation de
rendement thermique avec les températures et les pressions pour un cas d’un détendeur en
marche. L’allure de ces graphes montre que ces résultats sont en d’accord avec la théorie.
Bibliographies:
1) Fundamentals of Engineering Thermodynamics-M. Moran; H. Shapiro-2006-Wiley
2) Thermodynamics an Engineering Approach- Cengel; Boles-5th edition 2006
3) Fundamentals of Thermodynamics - 6th edition-R. Sonntag; C. Borgnakke-2003-Wiley
4) Advanced Gas Turbine Cycles- J. Horlock- 2003- Elsevier
5) Thèse de Doctorat- Amélioration des performances des turbines à gaz- B. Abdallah-2009
6) Industrial gas turbines Performance and operability- A. Razak- 2003-Woodhead
7) Theory and Problems of Engineering Thermodynamics- M. Potter; C. Somerton-1995-
McGraw-Hill
8) Gas Turbine Handbook Principles and Practices-T. Giampaolo-3rd Edition-2006-
Fairmont

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Mémoire de fin d'etude - Turbine à gaz à deux arbres

  • 1. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 1 ‫العلـــــــمي‬ ‫البحـــــــــث‬ ‫و‬ ‫العـــــــــــالي‬ ‫التعليـــــــــــم‬ ‫وزارة‬ ‫للعلوم‬ ‫وهران‬ ‫جامعة‬‫والتكنولوجيا‬ ‫محم‬‫د‬‫بوضياف‬ République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur Et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF Mémoire de fin d'étude pour l'obtention du Diplôme de licence système LMD Thème: Etude d'une Turbine à Gaz à deux arbres Présenté par : HEGNON Kwaku Godwin Encadré par : SENOUCi Zine Eddine
  • 2. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 2 Sommaire Chapitre 1 : Généralités 1.1 Introduction 1.2 Définition 1.2.1 Définition par la norme iso 3977 1.3. Description de la turbine à gaz 1.4 Principe de fonctionnement d'une turbine a gaz 1.5 Classement de la turbine a gaz 1.6 Les éléments structuraux d'une turbine a gaz a deux arbres 1.7 Applications de la turbine à gaz Limite Technique et Avantages 1.8 cycles thermodynamique Chapitre 2 : Calcul thermodynamique d'une turbine 2 Calcul thermodynamique 2.1 D'après les données du constructeur 2.1.2. D'après les données de départ 2.1.3 Comparaisons des résultats Conclusion Chapitre3 : Maintenance d'une Turbine à Gaz 3.1 Définition de la Maintenance 3.2 But de la Maintenance 3.3 Différents types de Maintenance 3.4 Inspections Appliquées sur une Turbine à Gaz Conclusion
  • 3. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 3 V Volume m³ P Pression bars Peff Puissance effective KW R Constante universelle J/mole.K r constante spécifique du gaz J/Kg.K T Température K h enthalpie J/Kg W travail J/Kg Cp chaleur massique J/Kg.K qm débit massique Kg/s n rendement y Exposant isentropique M Masse Molaire g/mol PCI Pouvoir Calorifique inferieur Kj/Kg.K Q Quantité de Chaleur J/Kg S Entropie Kj/Kg.K
  • 4. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 4 Chapitre 1 : Généralités
  • 5. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 5 1.1 Introduction Durant ces dernières années , les turbines à gaz industrielles ont joué un rôle important dans les systèmes d production de puissance, tels que les centrales nucléaire de puissance (NPP) , les centrales de production d'électricité et les unités des hydrocarbures. 1.2 Définition Une turbine a gaz est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs a combustion interne ayant pour but de produire de l'énergie mécanique a partir de l'énergie contenue dans du fuel. Selon le type d'énergie délivrée , les turbines à gaz se répartissent , les turbomoteurs fournissant de l'énergie mécanique disponible sur un arbre et , d'autre part, les turboréacteurs fournissant de l'énergie cinétique utilisable pour la propulsion. Au premier abord nous allons parler des généralités sur les turbines a gaz , ensuite s'intéresser au calcul thermodynamique de la turbine a gaz , et enfin aborder le coté maintenance . 1.2.1 Définition donnée par la norme iso 3977 La turbine a gaz est une machine transformant l'énergie thermique en énergie mécanique. Elle comprend un ou plusieurs compresseurs axiaux ou rotatifs ; ou plusieurs dispositifs réchauffant le fluide moteur , une ou plusieurs turbines , un système de régulation et des auxiliaires essentiels. Tout échangeur de chaleur se trouvant dans le circuit principal du fluide moteur sera considéré comme faisant partie de la turbine à gaz. 1.3 Description de la turbine à gaz La turbine à gaz est constituée : - d'un générateur de gaz comprenant un compresseur d'air, une chambre de combustion et une turbine de détente fournissant l'énergie mécanique nécessaire à l'entrainement du compresseur d'air - d'une turbine de puissance accouplée a l'alternateur
  • 6. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 6 1.4 principe de fonctionnement Une turbine à gaz à double arbre possède deux turbines indépendantes. La première turbine (turbine haute pression) est fermement raccordée au compresseur et l’entraîne. La deuxième turbine (turbine utile) est mécanique et n’est pas reliée à la turbine à haute pression; elle produit la puissance utile de l’installation. Elle entraîne soit le véhicule, soit l’hélice ou bien encore un générateur. L’avantage de la turbine à gaz à double arbre consiste en ce que le compresseur et la turbine à haute pression sont utilisés avec une vitesse de rotation idéale pour la puissance. En revanche, la turbine utile peut s’adapter de manière optimale à la mission d’entraînement en termes de vitesse de rotation ou de couple. Alors que les véhicules exigent une vitesse de rotation fortement variable, un alternateur synchrone doit être entraîné avec une vitesse de rotation qui, dans la mesure du possible, est constante. La turbine est exploitée avec du gaz combustible. Un compresseur auxiliaire à entraînement électrique (ventilateur de démarrage) lance la turbine. A une vitesse de rotation minimum, on insuffle du gaz combustible dans la chambre à combustion et il est allumé électriquement. Après avoir atteint la vitesse de rotation de maintien, le compresseur auxiliaire est arrêté et la
  • 7. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 7 turbine tourne d’elle-même. La lubrification et le refroidissement des paliers de la turbine sont assurés par un circuit d’huile avec des refroidisseurs d’huile et d’eau réglés de manière thermostatique, une pompe à huile et un filtre à huile .Si la température de l’huile est trop élevée ou si la pression de l’huile est trop faible, la turbine s’arrête automatiquement. 1.5 Classement des turbines à gaz On peut classer les turbines à gaz en deux grandes familles : - les turbines industrielles de types 1 ou 2 arbres - les turbines type aviation à 2 arbres Ces deux familles se différencient essentiellement par leur conception mécanique et la technologie utilisée 1.5.1 Les turbines industrielles Les turbines industrielles ou " heavy duty " sont des machines lourdes et assez rustiques dont l'objectif principal est la longévité. Ce critère de longévité conduit à des paramètres de fonctionnement peu sévères : - Taux de compression en général compris entre 6 et 8 - Température d'entrée turbine limitée à 950 C Avec ce type de machine on fait des révisions toutes les 20 000 ou 30 000 heures .
  • 8. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 8 1.5.2 Turbine à gaz à un seul arbre Dans ce type d'installations , le compresseur d'air , les turbines de détentes et la machine entrainée sont sur le même arbre. Cette conception est utilisée si une vitesse constante d'opération est nécessitée. 1.5.3 Turbine a gaz a deux arbres La turbine est séparée en deux ensembles rotatifs , une turbine de charge faisant tourner le compresseur axial et l'équipement auxiliaire et une turbine de puissance libre pour produire de la puissance utile. La turbine de puissance peut tourner dans une grande plage de nombre de tours. La turbine de charge opérera dans son ordre de vitesse en ce qui concerne la charge demandée sur la turbine de puissance. La conception à deux arbres en ligne est utilisée là où les vitesses variables sont demandées , c'est à dire pour entrainer des compresseurs à gaz ou pompes.
  • 9. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 9 Légende 1 Chambre de combustion 4 Turbine de puissance 2 Compresseur 5 Charge 3 Turbine de compression Figure 3 — Turbine à gaz à cycle simple à deux lignes d'arbre (c'est-à-dire avec turbine de puissance séparée) 1.6 Les éléments structuraux d'une turbine à gaz à deux arbres l' ensemble de la turbine à gaz comprend trois sections : compresseur , combustion et turbine 1.6.1 Section compresseur Un étage de compresseur axial est composé d'une grilles d'aubes constituant le rotor ,suivie d'une grille d'aubes fixes constituant le stator (diffuseur ou redresseur). Les passages divergents des ailettes du stator transforment l'énergie cinétique en pression et augmente la température du gaz.
  • 10. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 10 1.6.2 Le rotor Le rotor se compose d'un jeu d'ailettes mobiles qui sont fixée sur la roue , et les aubes sont fixées sur le disque. La rotation du rotor aspire l'air sans choc par la petite section du rouet , la vitesse axiale se transforme progressivement en vitesse radiale , les canaux d'écoulement sont divergents et assurent et un accroissement de la pression statique. Dans le diffuseur la pression continue à s'accroitre. Pour la fabrication on utilise des alliages légers , des aciers ou du titane.
  • 11. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 11 1.6.3 Le stator Le stator est formé par deux demis carters du compresseur munis de plusieurs étages d'aubes. Et de joint horizontal dans lesquels sont montées les grilles d'aubes de chaque étage. La rotation de la grille mobile du rotor aspire l'air et lui communique une vitesse axiale , une vitesse tangentielle ainsi qu'une augmentation de la pression statique. A la sortie du rotor , l'air est animé d'une vitesse V. Les canaux divergents de la grille fixe du stator réduisent la vitesse et augmentent la pression
  • 12. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 12 1.6.4 Section chambre de combustion La chambre de combustion à pour but de fournir de l'énergie thermique au cycle de turbine à gaz , grâce a la réaction chimique air + combustible initié par la flamme afin de produire des gaz chauds à une température désirée La chambre a combustion a pour rôle: - élever la température du fluide moteur en écoulement permanent par la combustion d'un carburant - Obtenir une distribution uniforme de la température à la sortie de la chambre - Réduire les pertes de charges - Stabiliser la flamme La chambre de combustion se compose de 03 parties : La zone primaire Le combustible injecté dans la chambre de combustion est mélangé avec un tiers de l'air comprimé total , une partie de cet air primaire est livrée par les aubes de rotation d'air fixe qui sont montées autour du bruleur ; une autre partie entre dans une rangée de trous , la zone primaire est la zone de combustion principale La zone secondaire
  • 13. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 13 Les gaz brulés qui quittent la zone primaire sont très chauds et il faut baisser leur température pour éviter que les parois du tube de flamme ne surchauffent. C'est pour cela qu'il faut une injection d'air par une deuxième rangée de trous appelée ( air secondaire) dans cette zone les traces finales du combustible sont brulées La zone mixte L'air qui est resté est ajouté au gaz chaud du tube de flamme. Dans cette zone un petit nombre de trous à grand diamètre sont utilisés pour avoir une grande turbulence et un bon mélange gazeux avant l'entrée de la turbine pour avoir de la température voulue.
  • 14. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 14 1.6.5 Section turbine La transformation subie pour le fluide dans la turbine étant supposée adiabatique et réversible. Les canaux dans lesquels cet écoulement a lieu sont disposés à réaliser le mieux possible la transformation de l'énergie cinétique du fluide en travail. Cette transformation a lieu dans ou plusieurs étages . Chacun se compose de grilles d'aubes qui sont cylindriques. Il y a les aubages fixes qui transforme l'énergie de pression en énergie cinétique augmentant ainsi la vitesse. Le passage convergent formé entre les aubages mobiles transforme l'énergie de pression en énergie cinétique et l'énergie cinétique en énergie mécanique disponible sur l'arbre de la machine qui donne une baisse de pression , température et de vitesse. Turbine à haute pression Les gaz brulés venant de la chambre de combustion avec des paramètres P3 et T3 pénètre dans la turbine et se détende jusqu'à la pression P4 et la température T4 cette turbine a haute pression a un rôle unique qui est l'entrainement du compresseur. La puissance qu'elle fournie est juste égale à celle absorbée par le compresseur . Cette turbine est faite pour entrainer les accessoires ( pompe à huile , pompe à combustible....etc.) et vaincre la résistance des paliers. Turbine libre
  • 15. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 15 La turbine libre est une turbine de puissance , indépendante du générateur de gaz . Elle utilise une chute de pression de P4 à P5 à l'échelle ou correspond une différence de température d'arrêt qui est donné sur l'arbre de puissance 1.6.6 Echappement En général , les gaz d'échappement de la turbine à gaz sont rejetés dans l'atmosphère d'une manière sure à créer le minimum de contre pression. Mais dans notre cas les gaz sont récupérés pour chauffer l'huile du four auxquels est associée la turbine car il contient (14% à 17%) d'oxygène pouvant alimenter le bruleur qui fera augmenter la température et par la suite la puissance thermique. 1.7 Applications de la turbine à gaz Limites techniques et Avantages La turbine à gaz présente de sévères limitations dues aux contraintes techniques de sa réalisation. Ces principales limites sont les suivantes : • taux de compression (et donc rendement) limité par le nombre d’étage de compression nécessaires, • baisse importante de rendement des compresseurs centrifuges à un régime plus faible que le régime nominal, • température de combustion (et donc rendement) limitée par la résistance mécanique de la turbine. • chute importante du rendement à charge partielle en particulier pour les machines à simple arbre. • coût d’usinage des aubages notamment de la turbine. • Inaptitude aux arrêts et démarrages fréquents et peu progressifs. • Coût de maintenance plus élevé que pour un moteur diesel • Bien qu'à l'étude, les turbines à gaz ne peuvent pas brûler de fioul lourd contrairement au moteur diesel. Elles utilisent donc des carburants chers. Les avantages inhérents à ce type de machine sont les suivants : • Puissance massique et volumique très élevée du fait du fonctionnement continu, • simplicité apparente de construction (un rotor dans un carter et un brûleur) et équilibrage (peu de vibrations), • pollution limitée en HC et NOx du fait de l’excès d’air et de la température limitée, • aptitude à la récupération de chaleur (cogénération), • longévité en marche stationnaire. • aptitude potentielle à utiliser des combustibles variés et de moindre qualité (gaz pauvre, fuel lourd). Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, la puissance massique élevée se prête bien à la propulsion aéronautique particulier sur les hélicoptères. La propulsion navale fait également de plus en plus appel aux turbines à gaz notamment pour les navires à grande vitesse.
  • 16. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 16 Par contre, la turbine à gaz est mal adaptée aux véhicules routiers. En effet, les variations de charge et de régime sont trop importantes et trop rapides pour être réalisables avec un rendement correct. De plus, le rendement atteint difficilement 30% pour des moteurs compacts et de faible puissance alors que les Diesel actuels dépassent 40%. Par contre, elles pourraient trouver un regain d’intérêt pour les chaines de propulsion hybrides en particulier sur les poids lourds, où l’installation des échangeurs (notamment récupérateur sur échappement) est moins problématique. L’autre grand domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il s’agit d’applications à régime constant et à charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kW à près de 300 MW. Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des cycles combinés dont le rendement global tend actuellement vers 60%. En cycle simple, le rendement est de l’ordre de 30 à 35% voire plus pour les grosses machines. Dans les faibles puissances, le rendement est même inférieur à 30% mais on met alors à profit l’aptitude des turbines à combustion pour la récupération de chaleur dans des applications de cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur). 1.8 CYCLES THERMODYNAMIQUES Les centrales de turbines à gaz peuvent travailler avec un cycle à pression constante (cycle de Joule ou de Brayton) ou un cycle à volume constant (cycle d’Atkinson). Pour un but d’analyse théorique du cycle, on suppose que la centrale à turbine à gaz fonctionne avec un circuit fermé. 1.8.1 Cycle fermé et ouvert Les éléments du cycle indirect sont semblables à ceux du cycle direct sauf qu’ici l’air est un fluide secondaire qui reçoit sa chaleur d’un liquide réfrigérant primaire dans un échangeur de chaleur. Ce cycle convient pour des usages où les soucis environnementaux empêchent l’air de recevoir la chaleur directement, comme d’un réacteur nucléaire où les dégagements de radioactivité peuvent aller à l’atmosphère. L’utilisation de réacteur nucléaire est cependant, mieux servie par un cycle fermé.
  • 17. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 17 Dans le cycle fermé le liquide réfrigérant de gaz est chauffé dans le réacteur, détendu dans la turbine, refroidit dans un échangeur de chaleur, et comprimé de nouveau au réacteur. Dans ce cycle un gaz autre que l’air peut être employé. Aucun effluent des gaz radioactifs ne passe dans l’atmosphère en fonctionnement normal. Les cycles fermés permettent la pressurisation du fluide de fonctionnement avec la réduction conséquente de la taille des machines rotatives. Le fluide de fonctionnement le plus approprié est dans ce cas l’hélium.
  • 18. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 18 1.8.2 Cycle de Brayton Le cycle de Brayton est le procédé thermodynamique qui gouverne le fonctionnement des turbines à combustion ou à gaz. 1.8.3 Cycle idéal Dans le cycle idéal de Joule les processus : la compression (1 - 2) et la détente (3 - 4) se produisent dans le compresseur et la turbine sont supposés isentropiques. La chaleur additionnée (2 - 3) dans l’échangeur de chaleur (chambre de combustion) et le rejet (4 - 1) se produisent à pression constante. D’autres hypothèses pour le cycle idéal de Joule sont comme suit: - Les pertes de pression dans les échangeurs de chaleur et les passages reliant les équipements sont négligeables. -Le fluide de fonctionnement est un gaz parfait. - L’efficacité des échangeurs de chaleur est 100%.
  • 19. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 19 1.8.4 Cycle réel Dans le cycle réel à pression constante le travail dans le compresseur et la turbine est adiabatique au lieu d’isentropique. Dans une installation réelle de turbine à gaz, les pressions, durant les processus (2-3) et (4-1), ne demeurent pas constantes à cause des pertes inhérentes de pression dans les circuits d’air et de gaz. Par conséquent les rapports de pression et de température dans le compresseur et la turbine ne sont plus identiques. La réduction double du rapport de pression de turbine réduit le travail de l’installation et le rendement thermique.
  • 20. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 20 Par conséquent Les rendements de compresseur et de turbine sont : En l’absence des pertes de pression les rapports idéaux de pression et de température pour le compresseur et la turbine sont les même qu’avant. Les valeurs réelles du travail de turbine et du compresseur sont indiquées par : Le travail net est donné par : La chaleur spécifique fournie dans la chambre de combustion est exprimée par : Donc le rendement de cycle est donné par : 1.8.5 Cycle d’Atkinson Egalement les processus de compression et de détente sont isentropiques dans ce cycle. L’addition de la chaleur a lieu à volume constant et son rejet à pression constante. Les difficultés pratiques de réaliser l’addition de la chaleur à volume constant et le déplacement intermédiaire de l’écoulement dans l’installation ont été certes les obstacles majeurs dans son développement. Pour quelques applications industrielles, ce cycle a été profitablement employé à une unité combinée de turbine à gaz et de turbine à vapeur.
  • 21. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 21
  • 22. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 22
  • 23. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 23 Chapitre 2 : Calcul Thermodynamique d'une Turbine a Gaz
  • 24. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 24 2. Calcul thermodynamique : 2.1. D’après les données du constructeur : Calcul thermodynamique de l’ITG à deux lignes d’arbre, en tenant compte les différentes pertes dans les différents éléments de l’installation et sans récupération (d’après les données du constructeur) Cette installation de turbine à deux lignes d’arbre est très largement utilisée par les sociétés pétrolières dans tous les domaines et particulièrement dans les stations de compression des gaz. Pour le calcul nous avons pris une ITG de 𝛆 =16,8 et de puissance de 13400kW d’après les données du constructeur qui sont : Paramètres de l’air ambiant : - Température de l’air ambiant : T1=15℃ ⇒ T1= 288 K. - Pression de l’air ambiant : P1= 1.013 bars. Paramètres de fonctionnement de compresseur, de chambres de combustion et de la turbine haute pression : - Taux de compression du compresseur axiale : ε = 16.8 - Rendement du compresseur : ηic = 0.87℅ - Rendement de chambres de combustion : ηcc = 0.97℅ - Température à la sortie des chambres de combustion : T3= 1256℃ ⇒ T3= 1529 K. Rendement mécanique de la transmission : - Rendement compresseur – Turbine THP : ηmec = 0.98℅ - Rendement de la turbine THP : ηiTHP = 0.88℅ - Vitesse de rotation de la THP : N = 14100 tr/min. Paramètre de fonctionnement de la turbine de puissance (TBP) : - Rendement de la turbine TBP : ηiTBP = 0.88℅ - Puissance utile Pu= 13400 KW. Rendement mécanique de la transmission : - Turbine TBP – Charge : ηm= 0.98 - Vitesse de rotation de la turbine TBP : N = 9000 tr/min. Caractéristique du fluide moteur : - Pouvoir_calorifique_inferieur_du_combustible - _PCi_=8500 Kcal/m3. °C = 12898.33 Kcal/Kg °C = 53915.022 KJ/Kg °C Rendement thermique global : - Le rendement : ηth = 36,2℅ Les points particuliers du cycle de l’installation : 1 : Entrée dans le filtre. 1a, 1b : Entrée et sortie du diffuseur à l’entrée du compresseur. 2a, 2b : Entrée et sortie du diffuseur à la sortie du compresseur. 2 : Entrée de la chambre de combustion. 3 : Sortie de chambre de combustion. 3a, 3b : Entrée et sortie du diffuseur à l’entrée de la THP.
  • 25. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 25 4a, 4b : voix de passage entre les deux roues de la TAG. 5a, 5b : Entrée et sortie du diffuseur à la sortie de la TBP. 1b : Section avant le premier étage du compresseur. 2a : Section après le dernier étage du compresseur. 3b : Section avant le premier étage de la THP. 4a : Section après le dernier étage de la THP. 4d : Section avant le premier étage de la TBP. 5a : Section après le dernier étage de la TBP. Représentation schématique d'une turbine à gaz à deux arbres
  • 26. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 26 diagramme T-s Calcul thermodynamique à deux lignes d’arbre, en tenant compte les différentes pertes dans les différents éléments de l’installation et sans récupération (sur site) Dans les conditions réelles d’exploitation des turbines à gaz celle-ci sont généralement confrontée à des températures in situ qui a voisinent souvent 35°C en été. 2.1.2. D’après les données de départ : -Température ambiante :𝑇 𝑎𝑚𝑏=26 °C=299K ; - La pression atmosphérique :𝑃 𝑎𝑡𝑚=1,013 bar ; - Taux de compression :𝜀 =16.8 bar ; - Coefficient d’excès d’air : α=3  Calcul de la masse volumique La masse volumique de l’air à l’entrée du filtre est :
  • 27. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 27 ➢Paramètres de l’air avant le premier étage du compresseur : P1b = P1 - ΔP. ΔP = ΔP1+ ΔP2 + ΔP3. Avec : ΔP1 : Pertes de pression d’arrêt dans le filtre d’air. ΔP2 : Pertes de pression dans la conduite. ΔP3 : Pertes de pression dans le diffuseur à l’entrée du compresseur. - La résistance aérodynamique du filtre d’air d’une ITG moderne est très faible, elle est égale habituellement Δ𝐏 𝟏 = 0,015 Bar. - Les pertes de pression dans conduites d’air dépondent de la vitesse d’air (Ca) qui est de 30 à 50 m/s. Soit dans notre cas Ca = 40m/s. Les pertes de pression sont égales à : Où : L et d : sont la longueur et le diamètre de la conduite. ξ : Coefficient d’expérience. Admettant que la perte de pression dans cette conduite est égale à : Δ𝐏𝟐 = 0,005.Bar. - La perte de pression dans le diffuseur d’entrée du compresseur est déterminée par la formule suivante : Où : η : Rendement de diffuseur. C1a Et C1b : Vitesse à l’entrée et à la sortie du diffuseur. Le rendement de diffuseur varie de 0,85 à 0,95. Prenons : C1b = 100m/s et η = 0,9. Les pertes de pression à l’entrée du compresseur : ΔP = ΔP1+ ΔP2 + ΔP3. ΔP = 0,015.10⁵ + 0,005.10⁵+ 574 Δ𝐏 = 2,5. 𝟏𝟎³Pa = 0,025. 𝟏𝟎⁵Pa Les paramètres d’entrée au point b sont alors les suivants :
  • 28. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 28 - P1b = P1 - ΔP = 1,013.10⁵- 0,0257. 10⁵ = 0,987. 10⁵ Pa ➢Paramètres de l’air après le dernier étage du compresseur (point 2a) : Evaluons la température à la sortie du compresseur à T2a= 645.21°K. Alors la température moyenne de l’air dans le compresseur : En utilisant cette température moyenne et les graphiques Cp=f(t) et γ = f(t), déterminons les valeurs moyennes de Cp et γ : Et comme : r = Cp. m = 1010 × 0,283 = 286 j/Kg.K
  • 29. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 29 ➢Les paramètres de l’air avant la chambre de combustion : ➢Les paramètres du gaz après la chambre de combustion : On évalue les pertes aérodynamiques pendant l’apport jusqu'à 1℅ de la pression de l’arrêt à l’entrée de la chambre de combustion
  • 30. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 30 ➢Les paramètres du gaz avant le premier étage de la turbine THP : ➢Les paramètres du gaz après le dernier étage de la THP : Le rapport de pressions de la THP peut être déterminé en faisant le bilan énergétique du générateur du gaz (compresseur axial – Turbine). Où : Ma, Mg : Débits massiques de l’air et des gaz. Wcr , WTHP : Travaille mécanique du compresseur et de la turbine THP, qui tiennent compte les pertes mécaniques. Admettons que : ηmec(cr) = ηmec(THP) = 0,98 ; et en première approximation : Ma = Mg.
  • 31. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 31 Alors nous obtenons : Wcr = WTHP . ηmec(THP) . ηmec(cr) ➢Les paramètres avant le premier étage de la TBP : La pression d’arrêt :
  • 32. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 32 ➢Les paramètres après le dernier étage de la TBP : La pression statique à la sortie du silencieux P5 est égale à la pression atmosphériqueP1. Si la vitesse à la sortie du silencieux C5= 20 m/s et ρ5= 0,95 Kg/m3, nous avons alors: Admettons que la vitesse à la sortie du dernier étage de la TBP est C5a = 90 m/s et que les pertes de pression dans les parties 5a ,5b et 5b, 5 sont égale à 1,5℅ :
  • 33. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 33  ➢Débits massiques et rendements :  ➢Travaux massiques de la TBP : Sur l’arbre de la machine réceptrice, la puissance égale à 13,4MW, le débit massique des gaz (Gg) TBP . Trouvant la (Gg)TBP : Avec : ηcc : Le rendement thermique de la chambre de combustion qui tient compte la combustion incomplète et les pertes de chaleur vers le milieu extérieur. qc : Débit massique de combustible qr : Débit massique relatif de l’air de refroidissement qf : Débit massique relatif des fuites qc = 0,01788 kg/s qr = 0,05 kg/s
  • 34. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 34 qf = 0,01 kg/s Tableau 2.1 Les résultats de calcul d'après les données 2.1.3. Comparaison des résultats :
  • 35. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 35 Tableau 2.2 Comparatif des résultats obtenus Enfin on observe les résultats principaux obtenus. Dans le régime considéré nous avons les diminutions des caractéristiques principales : Conclusion : A partir de ce calcul thermodynamique, on peut voir clairement l’influence très importante de la température de l’air à l’entrée du compresseur axial, cela provoque en premier lieu la variation des rapports de compression de l’air de combustion, dont la puissance diminue quand la température de l’air atmosphérique aspiré augmente. Cela a naturellement aussi son influence sur la diminution de rendement thermique de la turbine à gaz de 36, 2% à 31,1%, ce qui influe négativement sur l’exploitation de la turbine.
  • 36. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 36 PROGRAMMATION EN FORTRAN Program tag real mc1,mc2,p2(5),t2(6),T3(5),wc,wt P1=1. T1=288. data (p2(i),i=1,5)/5.,7.5,10.,12.5,15./ !initialisation de P2 data (t3(i),i=1,5)/923.,948.,973.,998.,1023./ !initialisation de T3 g=(1.4-1.)/1.4 cp=1.0045 ma=5. !debit d'entree d'air PCI=45119. !Pouvoir calorifique inferieur Gaz Naturelle rendm=0.95 !rendement mecanique rend=0.85 !rendement !compression open(1,file='results.dat',status='unknown') do i=1,5 T2s=T1*(P2(i)/P1)**g T2(i)=T1+(T2s-T1)/rend wc=cp*(T2(i)-T1) write(1,*)'******************************' write(1,*)'P2=',P2(i) write(1,*)'T2=',T2(i) write(1,*)'wc=',wc do j=1,5 !combustion1 P3=P2(i) q1=cp*(T3(j)-T2(i))*ma mc1=q1/PCI write(1,*)'>>>>>>>>>>>>>' write(1,*)'T3=',T3(j) write(1,*)'puissance combustion 1 q1=',q1 write(1,*)'mc1=',mc1 !turbine1 T4s=T3(j)-((T2s-T1)/rendm) P4=P3*(T4s/T3(j))**(1/g) wts=cp*(T3(j)-T4s)
  • 37. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 37 wt=rend*wts T4=T3(j)-wt/cp write(1,*)'T4=',T4 write(1,*)'P4=',P4 !detendeur ouvert P5a=P4 T5a=T4 !detendeur en marche T5=T4 P7=1. T7s=T4*(P7/P4)**g T7=T4-(T4-T7s)*rend T7ds=T5-0.5*(T4-T7) T7d=T5-(T5-T7ds)/rend P5=P7*(T5/T7d)**(1/g) write(1,*)'T7,T7d,P5=',T7,T7d,P5 !combustion2 do k=0,3 diff=300.+k*25. T6=T5+diff T6a=T5a+diff P6=P5 P6a=P5a q1b=cp*(T6-T5)*(ma+mc1) mc2=q1b/PCI write(1,*)'T6-T5=',diff write(1,*)'puissance combu 2 q1b=',q1b write(1,*)'mc2=',mc2 write(1,*)'***********' !turbine2 P7=1. T7a=T4*(P7/P4)**g !detendeur ouverte - CC2 T7=T4-((T4-T7a)/rend) wt2=cp*(T4-T7)*(ma+mc1+mc2) write(1,*)'Det ouvert sans CC2 T7=',T7a write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2
  • 38. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 38 !rendements pelec=wt2*rendm !puissance electrique rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement thermique rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement global rendc=1-(T1/T3(j)) !rendement carnot rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement d'installation write(1,*)'puissance elec=',pelec write(1,*)'rendement thermique =',rendt write(1,*)'rendement global =',rendg write(1,*)'rendement carnot =',rendc write(1,*)'rendement installation=',rendi write(1,*)'******' T7b=T6a*(P7/P6a)**g !detendeur ouverte + CC2 T7=T6a-((T6a-T7b)/rend) wt2=cp*(T6-T7)*(ma+mc1+mc2) write(1,*)'Det ouverte avec CC2 T7=',T7b write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2 !rendements pelec=wt2*rendm !puissance electrique rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement thermique rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement global rendc=1-(T1/max(T3(j),T6a)) !rendement carnot rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement d'installation write(1,*)'puissance elec=',pelec write(1,*)'rendement thermique =',rendt write(1,*)'rendement global =',rendg write(1,*)'rendement carnot =',rendc write(1,*)'rendement installation=',rendi write(1,*)'******' T7c=T5*(P7/P6)**g !detendeur en marche - cc2 T7=T5-((T5-T7c)/rend) wt2=cp*(T5-T7)*(ma+mc1+mc2) write(1,*)'Det en marche sans CC2 T7=',T7c write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2 !rendements pelec=wt2*rendm !puissance electrique
  • 39. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 39 rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement thermique rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement global rendc=1-(T1/T3(j)) !rendement carnot rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement d'installation write(1,*)'puissance elec=',pelec write(1,*)'rendement thermique =',rendt write(1,*)'rendement global =',rendg write(1,*)'rendement carnot =',rendc write(1,*)'rendement installation=',rendi write(1,*)'******' T7d=T6*(P7/P6)**g !detendeur en marche + cc2 T7=T6-((T6-T7d)/rend) wt2=cp*(T6-T7)*(ma+mc1+mc2) write(1,*)'Det en marche avec CC2 T7=',T7d write(1,*)'puissance de turbine 2=',wt2 !rendements pelec=wt2*rendm !puissance electrique rendt=wt2/(q1+q1b) !rendement thermique rendg=rend*rendm*rend*rend*rendm*rendt !rendement global rendc=1-(T1/max(T3(j),T6)) !rendement carnot rendi=pelec/(q1+q1b) !rendement d'installation write(1,*)'puissance elec=',pelec write(1,*)'rendement thermique =',rendt write(1,*)'rendement global =',rendg write(1,*)'rendement carnot =',rendc write(1,*)'rendement installation=',rendi write(1,*)'******' enddo enddo enddo end
  • 40. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 40 Chapitre 3: Maintenance d'une Turbine à Gaz
  • 41. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 41
  • 42. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 42 Introduction : Les installations et les équipements ont tendance à se détériorer dans le temps sous l’action de causes multiples (usure, déformations, corrosions…). Ces détériorations peuvent provoquer l’arrêt définitif ou momentané qui influera sur les capacités de production et mettre la sécurité du personnel en danger. Pour améliorer la production et la bonne conduite des différents équipements, les ingénieurs ont mis en place une maintenance dont ils ne peuvent s’en passer, car elle est devenue indispensable pour les entreprises. 3.1. Définition de la maintenance : C’est l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé l . 3.2. But de la maintenance : Parmi les buts essentiels de la maintenance on cite : -Prolonger la durée de vie du matériel. -Diminuer le temps d’arrêt en cas de panne. -Faciliter la gestion des stocks. -Amélioration de production en optimisant les coûts engendrés des différentes opérations de maintenance. -Assurer le bon fonctionnement du matériel 3.3. Différents types de maintenance : On distingue deux types de maintenance : la maintenance préventive et la maintenance corrective. Figure 3.1: Organigramme de maintenance
  • 43. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 43 3.3.1. La maintenance préventive : Elle vise à diminuer la probabilité de défaillance d’un système, pour cela elle s’appuie sur la maintenance systématique et la maintenance conditionnelle. La maintenance préventive se divise en deux formes essentielles. 3.3.1.1. Maintenance préventive systématique : C’est la maintenance qui est effectuée selon un échéancier établi en fonction du temps, ou du nombre d’unités d’usage, cette maintenance se pratique quand on souhaite procurer à un équipement une sécurité de fonctionnement. 3.3.1.2. Maintenance préventive conditionnelle : C’est une maintenance subordonnée à un type d’événement prédéterminé révélateur de l’état de dégradation du bien. Cette forme de maintenance permet d’assurer une surveillance continue des points sensibles de l’équipement au cours des visites préventives dont le rôle est d’élimine les pannes accidentelles ou de les réduire à un niveau acceptable. Il existe un troisième type de maintenance qui est la maintenance méliorative, qui consiste à débarrasser définitivement les causes de défaillance par des modifications, ce type de maintenance est nécessaire pour : -Déterminer les causes réelles du problème traité. -Imaginer les remèdes adaptés à leur suppression. 3.3.1.3. Avantages et inconvénients de la maintenance préventive : o Avantage -Bonne préparation de l’intervention. -Durée de mobilisation du matériel minimisée. -Facilité de programmation et de planification des travaux. o Inconvénients -Frais de gestion des stocks importants. -Frais dus à la planification. -Charges supplémentaires dues formation du personnel. 3.3.2. La maintenance corrective : Elle s’applique après la panne et consiste au dépannage ou à la réparation. Maintenance corrective(curative) : -Selon AFNOR : « Opération de maintenance effectuée après détection d’une défaillance » Elle consiste à remettre l’équipement en état de marche lors d’une panne. La maintenance corrective débouche sur deux types d’intervention : 3.3.2.1. Les dépannages : Ils Consistent à la remise en marche provisoire de l’équipement. Ils caractérisent la maintenance palliative.
  • 44. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 44 3.3.2.2. Les réparations : Dans ce cas la maintenance sera une intervention définitive et limitée, elles caractérisent la maintenance curative. Donc la maintenance corrective assure : -Une amélioration éventuelle (correction), visant à éviter la répétition de panne ou à minimiser ses effets sur le système (surveillance par analyse de vibrations). -Une mise en mémoire de l’intervention permettra une amélioration ultérieure. 3.3.2.3. Avantage et inconvénients de la maintenance corrective : Avantage -Un budget d’entretien moyen. -Coût direct minimisé. -Frais de gestion de stocks non important. Inconvénient -Temps d’arrêt et d’intervention trop élevé. -Coût de maintenance élevée. -Achats des pièces de rechange à un prix élevé 3.4. Les inspections appliquées sur la turbine à gaz Introduction : Les installations techniques représentent un important capital investi. Ce capital doit être préservé et géré avec efficacité. La division de maintenance nécessite de réunir un vaste éventail de compétences dans des domaines variés, ce qui conduit à l'organisation de la maintenance autour de 4 services : services Inspection, électricité, instrumentation et mécanique industrielle. Un programme de maintenance préventive est une nécessité primaire afin d'assurer la gestion correcte des installations conduites par des turbines à gaz où les arrêts forcés de l'installation doivent être réduits au minimum. Et pour cela nous pouvons classer les inspections de la turbine en deux types : Types d’inspection : Deux types principaux ont été distingués pour les pièces les plus sujettes à l’action des gaz de combustions, les inspections peuvent être classifiées comme suit : 3.4.1. Inspection en fonctionnement (maintenance conditionnelle) : Celles-ci consistent en la surveillance continue et générale de l’unité et des auxiliaires avec la turbine en marche. Il est conseillé d’enregistrer les paramètres principaux pendant les premiers démarrages et la marche de la turbine : en effet, cette opération sert à avoir des valeurs de référence sur la consommation, les performances, etc., quand la machine est neuve. Ceci permettra une meilleure évaluation de tout changement de fonctionnement de la turbine à gaz au cours de sa vie et aidera à découvrir les causes des défauts possibles et à choisir la solution appropriée. Les données de fonctionnement doivent être acquises dans les phases transitoires (démarrage, arrêt) et en condition de régime permanant. Les paramètres principaux de l’inspection en marche sont : Vitesse de la roue HP et BP ; Charge ; Nombre de démarrage ; Nombre d’heures de fonctionnement ;
  • 45. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 45 Pression et température aux différents points de la turbine ; Température et pression ambiante ; Pression d’huile et du combustible ainsi que les différents filtres ; Vibrations des rotors de la turbine HP et BP ; 3.4.2. Inspections préventive périodique : 3.4.2.1. Inspection de la machine pas démontée : Les taches principales selon inspection préventive périodique sont : Tous les jours -Vérifier l'étanchéité de la turbine -Vérifier l'étanchéité des systèmes hydraulique, de Carburant et d'huile de lubrification -Vérifier le niveau de l'huile de lubrification -Vérifier tous les auxiliaires de la turbine (autonettoyant, système d’aération) Chaque semaine -Effectuer un lavage à chaud ou de préférence un lavage à froid. Tous les mois -Effectuer un lavage à froid -Vérifier la pression du tuyau du reniflard -Vérifier le niveau du produit extincteur et vérifier le bon état du système -Tester le système gaz et incendie -Vérifier que le conduit d'admission d'air n'est pas rouillé ni endommagé, nettoyer avec le dispositif de nettoyage à impulsions. -Actionner le système d'huile de lubrification d'urgence pour tester son intégrité Tous les trois mois -Effectuer une vérification des vibrations -Vérifier l'intégrité des pompes d'huile de lubrification d'urgence, auxiliaire et principale -Vérifier que tous les boulons de fixation de l'unité entraînée et de la turbine sont serrés Tous les six mois -Vérifier que les dispositifs anti-retours de flammes sont propres -Vérifier que le désembueur d'huile n'est pas obstrué 3.4.2.2. Inspection de la machine démontée (maintenance préventive systématique) : L’inspection programmée est structuré en un plan d'entretien basé sur les recommandations de la société SIEMENS. Les vérifications de service de l’ensemble sont effectuées tous les ans, et les contrôles de service du turbomoteur sont réalisés sur la base d’un nombre équivalent d’heures (type de turbomoteur, conditions d'exploitation, type de carburant, charge, heures de fonctionnement) Inspections nécessitant le démontage des enveloppes afin d’accéder aux pièces internes selon le degré d’inspection, les inspections peuvent être distinguées comme suite : Inspection type A « 9000 heures » visite du système de combustion et générateur de gaz et la zone de la turbine par baroscope. Inspection type B «27000 heures » visite du système de combustion et générateur de gaz et la zone de la turbine par baroscope et déposé. Inspection type C « 54000 heures » visite et remplacer des composants du système de combustion et visite générateur de gaz. Inspection type D « 54000 heures » révision complète sur la Turbine de puissance,
  • 46. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 46 selon l'état remplacement des composants arrivés en fin de vie. Dans le plan d’entretien, on calcule les heures équivalentes selon la formule ci-après. Heures équivalentes = heures d’exploitation/an + (10 x démarrages/an) REMARQUE : le minimum requis est une inspection annuelle de type A pour le générateur de gaz, la combustion et la turbine de puissance, indépendamment des heures équivalentes. Pour un plan d'entretien type basé sur 8 500 heures d'exploitation par an, se référer au (Tab 1). Tableau Tableau 1 : Plan de maintenance typique Inspection type A: (Tab 2.3.4.5)
  • 47. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 47 Tableau 2 : Inspection type ‘a’ pour Générateur de gaz Tableau 3 : Inspection type ‘a ’pour Système de Combustion Tableau 4 : Inspection type ‘a ’Pour Turbine de puissance
  • 48. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 48 Tableau 5 : Inspection type ‘a’ Pour Systèmes auxiliaires du moteur Inspection type B : (Tab 6) Pour Générateur de gaz, Système de Combustion et Turbine de puissance. Comme pour l’inspection type A.
  • 49. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 49 Tableau 6 : Plan de maintenance type B Inspection type C et D (Inspection Général) : (Tab 7.8) Inspection type C pour Générateur de gaz et Système de Combustion, l’inspection type D pour la turbine de puissance. Les inspections type C, D comme pour l’inspection type B mais remplacer les composants du système de combustion et la turbine de puissance. Tableau 7: Plan de maintenance type C
  • 50. Etude d'une Turbine à Gaz à Deux Arbres 2016/2017 Page 50 Tableau 8: Plan de maintenance type D CONCLUSION L’étude d’amélioration de la performance d’une turbine à gaz est très importante. Il nous ramène à faire choix économique et fiable pour l’assurance de disponibilité de l’énergie. Un des moyennes récentes utilisées est de mettre un diffuseur à la sortie de turbine qui augmente la détente dans la turbine. Un autre critère en marche est d’injection de vapeur dans la chambre de combustion. Avec l’avancement des matériaux mécaniques, maintenant on peut fabriquer des turbines avec plus de résistances. Notre étude était d’une installation pratique, et notre intérêt était sur l’effet de détendeur à la puissance utile. Une turbine ne peut pas être utilisée en mode puissance max toujours, cela nous établir importance des vannes de règlement de débit. Malheureusement ces détendeurs rendent l’installation d’être moins efficace avec plus des pertes. Comme le rendement de Carnot est de l’ordre 0.7, déjà on remarque qu’il existe trop des pertes dans une turbine à gaz car le rendement est de l’ordre 0.40 si le détendeur est ouvert. On conclure que cette travail modeste nous aide à comparer est étudier la variation de rendement thermique avec les températures et les pressions pour un cas d’un détendeur en marche. L’allure de ces graphes montre que ces résultats sont en d’accord avec la théorie. Bibliographies: 1) Fundamentals of Engineering Thermodynamics-M. Moran; H. Shapiro-2006-Wiley 2) Thermodynamics an Engineering Approach- Cengel; Boles-5th edition 2006 3) Fundamentals of Thermodynamics - 6th edition-R. Sonntag; C. Borgnakke-2003-Wiley 4) Advanced Gas Turbine Cycles- J. Horlock- 2003- Elsevier 5) Thèse de Doctorat- Amélioration des performances des turbines à gaz- B. Abdallah-2009 6) Industrial gas turbines Performance and operability- A. Razak- 2003-Woodhead 7) Theory and Problems of Engineering Thermodynamics- M. Potter; C. Somerton-1995- McGraw-Hill 8) Gas Turbine Handbook Principles and Practices-T. Giampaolo-3rd Edition-2006- Fairmont