Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les turbomachines sont soumises aux lois générales de la thermodynamique. Dans ces machines, on transforme l’énergie d’une forme à une autre selon le premier principe de thermodynamique. Le second principe établit une dégradation d'énergie durant cette transformation, dégradation d'énergie qui s’effectue au niveau moléculaire par les effets de la viscosité principalement. Les frottements visqueux sont toujours présents lorsque des variations de vitesse existent dans un écoulement ; ils affectent les performances des installations. Cet article analyse les diverses pertes et leur influence sur le rendement des turbomachines.
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The turbomachineries are subjected to the general laws of thermodynamics. In these machines, energy is converted from one form to another according to the first principle. The second principle announces that energy is degraded during this transformation. This degradation of energy is carried out at the molecular level by the effects of viscosity mainly. Viscous frictions are always present when speed variations exist in a flow; they affect the performances of the installations. This article analyzes the various losses and their influence on the efficiency of turbomachines.
Auteur(s)
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Michel PLUVIOSE : Professeur honoraire du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) - Paris, France
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Christelle PÉRILHON : Maître de conférences – HDR – Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) - Laboratoire Dynfluid, Chaire d’énergétique, turbomachines - Paris, France
INTRODUCTION
Comme dans tout écoulement de fluide réel, l’écoulement dans une turbomachine est le siège d’irréversibilités dues au travail des forces de frottement. Ces pertes affectent non seulement les couronnes d’aubages fixes et mobiles, mais aussi les conduits qui guident le fluide à l’entrée et à la sortie de l’appareil, ou bien encore qui relient deux étages successifs.
Par construction, il existe aussi des pertes par fuites, car il est nécessaire de conserver un jeu entre les parties fixes et mobiles. Ces pertes sont souvent délicates à quantifier, car les concepteurs doivent introduire des obstacles peu aérodynamiques destinés à en réduire le débit. De plus, ces débits de fuite interfèrent avec l’écoulement principal lorsqu’ils sont réintroduits dans la machine à l’endroit convenable.
La puissance réelle absorbée par une machine de compression est toujours supérieure à celle d’une machine parfaite, c’est-à-dire sans perte, qui fonctionnerait entre les mêmes niveaux de pression. Entre ces mêmes niveaux de pression, une machine de détente fournit une puissance plus faible que celle que l’on serait en droit d’attendre si la machine était parfaite.
Le but de cet article est de faire apparaître l’origine et la nature des pertes qui altèrent l’échange d’énergie dans une turbomachine. Il s’agit de pertes au sens mécanique, c’est-à-dire de dissipations d’énergie mécanique en chaleur.
On définit ensuite les rendements qui caractérisent l’importance des pertes sur les transferts énergétiques.
Une application concernant une turbine axiale conclut cet article ; elle récapitule les notions rappelées ou développées précédemment.
Cet article constitue le dernier volet d’une série consacrée aux turbomachines :
• [BM 4 280] – Turbomachines – Description et principes de base ;
• [BM 4 281] – Turbomachines – Mécanisme de la conversion d’énergie ;
• [BM 4 282] – Turbomachines – Thermodynamique de la conversion d’énergie ;
• [BM 4 283] – Turbomachines – Bilan énergétique et applications.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
turbomachine | energy dissipation | efficiency
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 2003 par Michel PLUVIOSE, Christelle PÉRILHON
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Glossaire3. Conclusion
Un rendement optimum des turbomachines est un impératif de recherches tant théorique qu’expérimental, et ceci d’autant plus que ces machines sont accouplées dans des cycles thermodynamiques. Prenons l’exemple, pour conclure, d’une turbine à gaz composée d’un compresseur adiabatique, d’une chambre à combustion à pression constante et d’une turbine adiabatique accouplée au compresseur. Sur la figure 21, on a tracé le rendement de cette turbine à gaz fonctionnant entre les températures extrêmes de 15 °C (amont compresseur) et de 1 000 °C (amont turbine) . Le rendement de Carnot est obtenu pour un rapport de compression de plus de 150. Il n’est pas égal à 1 même pour des rendements de compression et de détente égaux à 1 car, selon le principe de Carnot, la quantité de chaleur rendue à la source froide en sortie de la turbine ne peut plus être récupérée. Sur la même planche, on a reporté le rendement de la turbine à gaz pour des rendements isentropiques de compression et de détente de 0,8. Le rendement optimum de la turbine à gaz est 0,23 ; il est obtenu pour un rapport de compression de 10. On observe, par ailleurs sur la figure 22, la très nette influence du rendement des turbomachines sur le rendement d’une turbine à gaz.
C’est cette constatation qui conduisit à l’échec les premières tentatives de réalisation des turbines à gaz, lorsque la technique de conception des turbomachines correspondait à un état de l’art insuffisamment développé.
C’est ce qui explique aussi que, même à l’heure actuelle, la construction des turbines à gaz ne puisse être effectuée avec succès que par des constructeurs possédant une technique affirmée.
Des recherches poussées sont effectuées d’abord théoriquement en utilisant des codes de calcul en constante amélioration, puis en laboratoire et en plateforme d’essais, par tous les constructeurs importants, et toute amélioration des rendements des turbomachines se traduit immédiatement...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRIBERG (J.) - Approche théorique et calcul pratique des diffuseurs. - LAJF Editeur, 17, rue J.-J. Rousseau, 91190 Palaiseau (1996).
-
(2) - PLUVIOSE (M.), PÉRILHON (C.), TOUSSAINT (M.) - Machines à fluides. - Principes – Fonctionnement, Éditions Ellipses (2010).
-
(3) - FRIBERG (J.), PLUVIOSE (M.) - Réduction des pertes de charge dans les circuits coudés. - Revue Française de Mécanique n° 1986-3.
-
(4) - SÉDILLE (M.) - Ventilateurs et compresseurs centrifuges et axiaux – tome 1 – Aérodynamique générale, calcul et fonctionnement. - Eyrolles, Masson (1973).
-
(5) - PLUVIOSE (M.) - Conversion d’énergie par turbomachines. - Éditions Ellipses (2010).
-
(6) - VAVRA...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Profluid : http://www.profluid.org/fr/
Association française des pompes et agitateurs, des compresseurs et de la robinetterie
HAUT DE PAGE2 Normes et standards – Réglementation
Normes AFNOR : https://www.boutique.afnor.org/norme/
NF EN 733 ((août 1995)), Pompes centrifuges à aspiration axiale PN10 à support sous corps de pompe – Point de fonctionnement nominal, dimensions principales, système de désignation.
NF EN ISO 5199 ((mai 2002)), Spécifications techniques pour pompes centrifuges – Classe II.
NF EN ISO 13709 ((février 2010)), Pompes centrifuges pour les industries du pétrole, de la pétrochimie et du gaz naturel.
NF EN 809/A1 ((décembre 2009)), Pompes et groupes motopompes pour liquides – Prescription communes de sécurité.
NF ISO 14661/A1 ((mars 2004)), Turbines thermiques pour applications...
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