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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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Lire l’articleAuteur(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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- Version archivée 1 de avr. 2003 par Michel PLUVIOSE, Christelle PÉRILHON
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ConclusionArticle inclus dans l'offre
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2. Application à l’étude d’une turbomachine de détente
La plupart des expressions précédentes et celles des articles [BM 4 280] [BM 4 281] [BM 4 282] ont été établies, pour ne pas alourdir le texte, dans le cas général des machines de compression à fluide compressible ou incompressible.
Afin de compléter, nous présentons ci-après l’analyse détaillée d’une turbine axiale à réaction, exemple à partir duquel nous pourrons préciser les notions introduites précédemment.
Il ne sera tenu compte ici que du fluide traversant la turbomachine. Les pertes par fuites, par frottements de disque, ainsi que les pertes mécaniques sont ici négligées et devraient faire l’objet d’une étude complémentaire.
Dans ces conditions, on a en particulier :
avec :
- τa :
- travail sur l'arbre.
Le travail interne prend en compte le travail absorbé par les frottements de disques, ce dernier étant négligé ici en première approche, le travail interne est égal au travail sur l’arbre.
...
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Application à l’étude d’une turbomachine de détente
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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).
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(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 industrielles...
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