Turbines a Gaz

MECANIQUE

INTRODUCTION AUX TURBINES A GAZ

MANUEL DE FORMATION Cours EXP-SM140

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Formation ExploitationMécanique

Introduction aux Turbines à Gaz

Manual de Formation : EXP-SM140-FR Dernière révision: 15/10/2009 Page 2 de 64

MECANIQUE

INTRODUCTION AUX TURBINES A GAZ

TABLE DES MATIERES 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................4 2. INTRODUCTION .............................................................................................................5

2.1. FONCTIONS DE LA TURBINE A GAZ DANS L’USINE............................................5 2.2. PRINCIPAUX AVANTAGES DES TURBINES A GAZ ..............................................5

3. COMMENT CA MARCHE................................................................................................7 3.1. COMPRESSION .......................................................................................................8 3.2. COMBUSTION..........................................................................................................9 3.3. DETENTE .................................................................................................................9 3.4. ECHAPPEMENT.....................................................................................................11

4. COMPOSANTS DE LA TURBINE .................................................................................12 4.1. SECTION ENTREE D’AIR ET COMPRESSION .....................................................13

4.1.1. Filtre d’entrée d’air...........................................................................................13 4.1.2. Compresseur d’air (compresseur axial)...........................................................15 4.1.3. Comment ça marche .......................................................................................15

4.2. SECTION COMBUSTION .......................................................................................17 4.2.1. Carburants.......................................................................................................17 4.2.2. Fonction de la chambre de combustion...........................................................18 4.2.3. Types de chambres de combustion.................................................................19

4.2.3.1. Chambre de combustion unique ................................................................20 4.2.3.2. Chambre de combustion annulaire ............................................................20 4.2.3.3. Chambre de combustion annulaire à tubes................................................21

4.3. SECTION TURBINE................................................................................................26 4.3.1. Conduit de transition .......................................................................................26 4.3.2. Tuyères et roues de turbine.............................................................................26 4.3.3. Rotor de turbine...............................................................................................27 4.3.4. Paliers de rotors ..............................................................................................29

4.3.4.1. Charges agissant sur l’arbre de turbine .....................................................29 4.3.4.2. Fonction des paliers de turbine ..................................................................30 4.3.4.3. Paliers à surface de glissement (paliers à manchons) comme paliers radiaux ....................................................................................................................31 4.3.4.4. Paliers à patins oscillants ...........................................................................32

4.3.5. Joints labyrinthes.............................................................................................35 4.4. SECTION ECHAPPEMENT ....................................................................................38

5. SYSTEMES DE SUPPORT DE LA TURBINE A GAZ ...................................................39 5.1. CIRCUIT HUILE DE GRAISSAGE ..........................................................................39

5.1.1. Fonction du circuit huile de graissage .............................................................39 5.1.2. Circuit huile de graissage de la turbine ...........................................................39

5.1.2.1. Réservoir d’huile ........................................................................................40 5.1.2.2. Pompes à huile ..........................................................................................40 5.1.2.3. Filtres à huile et crépines ...........................................................................41 5.1.2.4. Refroidissement de l’huile de graissage.....................................................42




5.1.2.5. Réchauffeurs d’huile ..................................................................................43 5.1.3. Distribution de l’huile de graissage..................................................................43

5.2. CIRCUIT CARBURANT ..........................................................................................45 5.2.1. Circuit gaz naturel ...........................................................................................45 5.2.2. Circuit carburant liquide...................................................................................46

5.3. CIRCUIT D’AIR ET FILTRAGE DE L’AIR D’ENTREE.............................................46 5.3.1. Fonction du circuit d’air....................................................................................46 5.3.2. Prélèvement d’air ............................................................................................47 5.3.3. Refroidissement du rotor de turbine ................................................................47 5.3.4. Silencieux acoustique du système d’entrée d’air et chambre de tranquillisation en entrée ...................................................................................................................48

5.4. SYSTEMES DE REGULATION...............................................................................49 5.4.1. Régulation de la pression carburant ................................................................49 5.4.2. Régulation de la vitesse ..................................................................................49 5.4.3. Régulation pneumatique de la vitesse.............................................................53 5.4.4. Régulation du pompage ..................................................................................53 5.4.5. Système d’aubes variables du compresseur axial...........................................56 5.4.6. Air comprimé pour faire fonctionner les systèmes de commande ...................57

6. CONFIGURATION DE LA TURBINE A GAZ .................................................................58 6.1. ARBRE UNIQUE.....................................................................................................58 6.2. ARBRE EN DEUX SECTIONS................................................................................59 6.3. MOTEUR DOUBLE CORPS ...................................................................................60

7. DEMARRAGE DE LA TURBINE A GAZ........................................................................61 8. SOMMAIRE DES FIGURES ..........................................................................................63




1. OBJECTIFS Une fois cette unité terminée, les stagiaires devront pouvoir :

Décrire les principes de fonctionnement d’une turbine à gaz.

Expliquer le processus de combustion et les pièces de combustion d’une turbine à gaz.

Expliquer les composants de base de la turbine à gaz et leurs fonctions.

Classer et expliquer les différents types (conceptions) de turbines à gaz.

Décrire la fonction de l’entrée d’air.




2. INTRODUCTION La turbine à gaz est essentiellement un moteur thermique dans lequel de l’énergie thermique est générée et ensuite transformée en énergie mécanique. La fonction d’une turbine à gaz est de produire de l’énergie mécanique. L’arbre de sortie d’une turbine produit beaucoup d’énergie, mais un arbre en rotation ne sert à rien si l’énergie produite par la rotation n’est pas transformée sous une forme utile quelconque. L’équipement relié à l’arbre de sortie, appelé équipement entraîné, transforme l’énergie mécanique en une énergie utile. Si un générateur est accouplé à l’arbre de sortie, l’énergie mécanique peut être transformée en énergie électrique. Si un compresseur ou une pompe sont accouplés à l’arbre de sortie, l’énergie mécanique peut être transformée en une énergie de mouvement et de vélocité.

2.1. FONCTIONS DE LA TURBINE A GAZ DANS L’USINE La turbine à gaz, dans une usine, remplit l’une des fonctions suivantes :

Elément primaire d’entraînement d’un alternateur dans une unité motrice.

Entraînement d’équipements mécaniques tels que des pompes, des compresseurs, etc.

2.2. PRINCIPAUX AVANTAGES DES TURBINES A GAZ

Temps de démarrage court – Elles peuvent atteindre leur vitesse de fonctionnement maximale en quelques minutes (environ 15 minutes pour un élément de taille moyenne).

Elles n’ont pas besoin de nombreux accessoires comme c’est le cas des turbines à vapeur.

Elles ne nécessitent que très peu d’eau de refroidissement.

On peut les amener au site sous forme d’unités monoblocs. Elles sont prêtes au démarrage en peu de temps.

Les turbines à gaz peuvent fonctionner avec différents types de carburant – gaz naturel, GPL, gazole, mazout, etc. On les utilise en des lieux où le gaz naturel est bon marché et facile à se procurer.




Les turbines à gaz ont d’autres avantages également. On peut modifier la vitesse de la turbine pour l’adapter aux besoins de l’équipement entraîné. Cela est très utile pour l’entraînement des compresseurs centrifuges.

Les turbines à gaz fonctionnent sans à-coups, à la différence des moteurs à combustion interne (moteurs à essence ou Diesel) qui produisent des vibrations du fait de leur mouvement alternatif. Cela permet d’utiliser des socles et des structures de support beaucoup plus légers.

De plus, les turbines à gaz ont un couple de démarrage très élevé et on peut les démarrer quand l’équipement entraîné est en charge. Les moteurs à essence et les moteurs électriques ont un couple de démarrage faible.




3. COMMENT CA MARCHE De par sa conception, la turbine à gaz est un système simple. La figure ci-dessous illustre la disposition mécanique d’une turbine à gaz basique, à cycle simple. Le fonctionnement de la turbine à gaz consiste en un cycle continu, comme suit :

Compression : le compresseur axial compresse l’air atmosphérique.

Combustion : un carburant est injecté et enflammé dans les chambres de combustion.

Détente : les gaz de combustion se détendent dans la turbine. Les gaz de combustion sont rejetés dans l’atmosphère après avoir mis la turbine en mouvement.

Echappement : la dernière phase est le rejet des gaz dans l’atmosphère.

Figure 1 : Principe de fonctionnement des turbines à gaz Un compresseur dynamique (dans la plupart des cas, un compresseur axial) fournit de l’air à une chambre de combustion dans laquelle le carburant est brûlé pour produire une grande quantité de gaz chauds. La température des gaz produits est très élevée et cela provoquerait une défaillance rapide de tous les composants de la turbine. Pour réduire la température de ces gaz chauds, on ajoute une quantité supplémentaire d’air afin de ramener la température des gaz dans des limites acceptables.




Le gaz chaud se détend en traversant une turbine, ce qui a pour effet d’entraîner le compresseur d’air et de produire une puissance mécanique supérieure en sortie. En phase finale, les produits de la combustion sont rejetés dans l’atmosphère.

3.1. COMPRESSION La première phase de la production d’énergie mécanique est la compression. Etant donné qu’un débit élevé de la masse d’air est nécessaire, on n’utilise jamais de compresseur à déplacement positif. Les deux types de compresseurs d’air que l’on trouve généralement sur les turbines à gaz aujourd’hui sont le compresseur centrifuge et le compresseur axial.

Figure 2 : Rôle du compresseur d’air L’air comprimé dans la turbine remplit trois fonctions :

Processus de combustion dans les chambres de combustion.

Il est ajouté aux produits de combustion (gaz chauds) après le processus de combustion pour réduire la température des gaz chauds.

Il sert de moyen d’étanchéisation dans les paliers pour empêcher l’huile de graissage de s’échapper dans le boîtier extérieur des paliers.




Le rôle du compresseur d’air dans une turbine à gaz est de fournir et de comprimer une quantité d’air suffisante pour la chambre de combustion, le refroidissement, le circuit d’air de refroidissement et d’étanchéisation des paliers.

3.2. COMBUSTION La fonction de la chambre de combustion est de chauffer l’air comprimé à un degré tel que les molécules se détendront rapidement et acquérront ainsi suffisamment d’énergie pour faire tourner le rotor de la turbine. L’obtention d’une telle température peut toutefois être dangereuse et par conséquent, des précautions particulières devront être prises en ce qui concerne la chambre de combustion. Du carburant et de l’air sont mélangés dans la chambre de combustion. L’inflammation se fera au moyen d’une bougie d’allumage – pour le démarrage uniquement. Le processus de combustion continuera automatiquement.

3.3. DETENTE Les gaz chauds qui se détendent en sortant de chaque chambre de combustion se réunissent dans un conduit annulaire de sortie intégré. Ce conduit de transition, situé entre les chambres de combustion et les aubes directrices, assure un mélange final des gaz chauds. Les aubes directrices (tuyères fixes dans le stator de la turbine) dirigent les gaz qui se détendent au travers de la turbine (figure suivante). Les rotors de la turbine sont séparés par des aubes de stator (tuyères fixes), montées radialement par rapport à la paroi interne de la turbine génératrice de gaz. Les aubes de stator (tuyères fixes) servent à diriger les gaz chauds de façon à ce qu’ils frappent les ailettes de roue de turbine selon l’angle voulu. Les gaz chauds qui quittent le premier jeu de stators prennent de la vitesse et frappent le premier rotor de turbine, le faisant ainsi entrer en rotation. Le rotor absorbe une partie de l’énergie des gaz en expansion. Les gaz contiennent cependant encore suffisamment d’énergie pour être utiles. Les ailettes du rotor sont chantournées de façon à rediriger les gaz chauds vers le second jeu de stators. Les gaz sont à nouveau redirigés afin qu’ils atteignent le second jeu d’ailettes de roue de turbine selon l’angle voulu.




Tuyères fixes dans le stator de la turbine Roue de turbine

Figure 3 : Rotors de turbine et aubes de stator

Figure 4 : Ecoulement des gaz chauds dans la turbine




3.4. ECHAPPEMENT Une fois que les gaz chauds se sont détendus dans la turbine, ils s’échappent vers l’extérieur.

Figure 5 : Rotor de turbine à gaz et moitié inférieure du carter de turbine




4. COMPOSANTS DE LA TURBINE La turbine est constituée de quatre sections :

Section entrée d’air et compression.

Section combustion.

Section turbine.

Section échappement.

Figure 6 : Vue en coupe d’une turbine à gaz à arbre unique type




4.1. SECTION ENTREE D’AIR ET COMPRESSION La section compression est composé d’un compresseur axial, multiétage (11 étages, et dans certains cas, 15 ou 16 étages). Cette section comprend également un filtre d’entrée d’air, l’ensemble d’entrée d’air, des aubes d’entrée variable et des aubes fixes, l’ensemble rotors de compression, le carter du compresseur, l’ensemble diffuseur et le boîtier de support de palier de compresseur. La fonction de la section entrée d’air et compression est de fournir à l’unité l’air nécessaire à la combustion et autres utilisations. Le package entrée d’air fournit à la turbine un flux d’air propre et uniforme (pour la combustion dans les chambres de combustion – le refroidissement – l’étanchéisation). Il est constitué d’un jeu de filtrage, d’un silencieux et d’une chambre de tranquillisation (conduit) pour conditionner correctement l’air entrant.

4.1.1. Filtre d’entrée d’air Lors de la conception du site, on veillera à faire en sorte que le compartiment de filtrage ne soit pas obstrué afin de réduire le nombre d’arrêts du flux d’air d’entrée dû à des vents de travers, des tourbillons, de l’air remis en circulation, des vapeurs d’huile ou des gaz d’échappement. Le compartiment de filtrage peut être monté aussi bien verticalement qu’horizontalement.

Figure 7 : Entrée d’air

Les systèmes de filtrage des turbines à gaz sont conçus avec soin afin d’être adaptés à l’environnement de travail. Les sites onshore sont différents dans leurs exigences en matière de filtrage, et peuvent être à un seul étage ou à étages multiples. Les installations offshore, ou côtières, pour lesquelles la corrosion est le principal souci, ont d’autres exigences en matière de filtrage.




Lorsque des particules en suspension dans l’air sont présentes, le séparateur à aubes primaire est normalement secondé par un patin de coalesceur secondaire pour retirer les embruns fins et les particules de sel ; le patin du pré-filtre tertiaire et le filtre sec à haute efficacité retirent ces particules fines. La figure qui suit montre un système de filtrage offshore.

Figure 8 : Système de filtrage d’air offshore




4.1.2. Compresseur d’air (compresseur axial) Les compresseurs d’air sont des compresseurs axiaux. Ils ont de 7 à 8 étages pour les compresseurs à taux de compression peu élevé et jusqu’à 15 pour les taux de compression les plus élevés. Ils tombent assez rarement en panne. Leur principal problème de fonctionnement dans une turbine à gaz est la contamination des ailettes du compresseur d’air due aux contaminants atmosphériques et à un mauvais filtrage d’entrée. Le compresseur axial est constitué d’une série de disques en métal fixés à un arbre unique (figure ci-dessous). Le bord de chaque disque porte un jeu d’ailettes chantournées, montées selon un angle donné.

Figure 9 : Rotor de compresseur axial et ailettes de rotor

4.1.3. Comment ça marche Tandis que l’arbre tourne, l’air est poussé en avant par les ailettes inclinées. Ces rotors agissent comme une série de ventilateurs, poussant l’air dans l’axe du compresseur, d’où le nom axial. Une série de rotors tournant autour d’un arbre produirait beaucoup de vent, mais cet air ne serait toujours pas comprimé. L’air doit être comprimé au fur et à mesure qu’il se déplace axialement le long de sa trajectoire. La compression est obtenue en réduisant légèrement la rapidité de l’air d’un disque de rotor à l’autre, ce qui a pour effet d’augmenter sa pression. Un jeu d’aubes est installé dans chaque espace situé entre deux rotors. Ces aubes sont fixées à la paroi interne du carter de compresseur et, par conséquent, elles ne tournent pas avec les rotors. Comme les aubes sont fixes, on les appelle stators. Les stators sont inclinés de façon à diffuser l’air qui passe entre elles. L’air qui entre par l’entrée du compresseur (figure ci-dessous) est poussé en avant par le rotor de premier étage.




Ce rotor transmet vitesse et pression à l’air. Tandis que l’air s’écoule par le stator de premier étage, sa vitesse diminue. Le rotor de premier étage, cependant, continue à pousser de l’air vers le stator de premier étage, augmentant ainsi la pression. L’air légèrement pressurisé est alors repris par le rotor de deuxième étage, et le cycle vitesse-pressurisation se produit à nouveau. Un compresseur axial peut comporter jusqu’à vingt étages, chaque étage produisant une pression d’air plus élevée que le précédent.

Figure 10 : Fonctionnement d’un compresseur de turbine




4.2. SECTION COMBUSTION Les chambres de combustion sont installées dans cette section. L’air de refoulement du compresseur axial entre dans la chambre de combustion. Le carburant arrive à chaque chambre de combustion par un injecteur dont le rôle est de mélanger le carburant à l’air. La bougie d’allumage enflamme le mélange de combustion dans la chambre. Les mélanges de combustion des chambres restantes sont enflammés par des tubes d’inflammation en travers. Il n’y a pas de bougie d’allumage pour chacune des chambres de combustion. Les gaz passent de la section combustion à la section turbine par les pièces de transition.

Figure 11 : Section combustion

4.2.1. Carburants Les turbines à gaz peuvent fonctionner à partir d’une large sélection de carburants, aussi bien gazeux que liquides. Les carburants gazeux comprennent le GPL et le gaz naturel, ainsi qu’un grand nombre de gaz de processus communs, ou moins communs, comme les gaz de raffinerie, le méthane, l’hydrogène, le gaz de four à coke, le monoxyde de carbone, entre autres. En ce qui concerne les carburants liquides qui peuvent être utilisés pour les turbines à gaz, ils comprennent les distillats légers, le gazole, le mazout, le Bunker C et même le pétrole brut.




Essentiellement deux types de carburant sont brûlés dans la chambre de combustion : liquide et gaz naturel :

Le carburant liquide qui entre dans la chambre de combustion doit être divisé en particules fines afin de garantir une combustion complète. Par conséquent, on utilise un atomiseur pour l’injection du carburant. L’atomisation doit être contrôlée avec soin pour empêcher les gouttelettes de carburant de pénétrer dans la turbine de puissance. Des gouttelettes se déplaçant à grande vitesse peuvent piquer les stators et les rotors de la turbine.

Le gaz naturel ne nécessite pas d’atomiseur et il suffit qu’il soit injecté à une vitesse contrôlée.

4.2.2. Fonction de la chambre de combustion La fonction de la chambre de combustion est de chauffer l’air comprimé à un degré tel que les molécules se détendent rapidement et acquièrent ainsi suffisamment d’énergie pour faire tourner le rotor de turbine. Il peut toutefois être dangereux de chauffer à de telles températures et par conséquent, des précautions particulières doivent être prises en ce qui concerne la chambre de combustion.

Figure 12 : Chambres de combustion dans une turbine à gaz La chambre de combustion assure un mélange complet des gaz chauffés grâce à des trous dans le tube (figure ci-dessus). L’air mélangé au carburant pour la combustion,




appelé air primaire, entre dans les chambres de combustion par des ouvertures près du brûleur. L’air primaire constitue de 15 à 20% de l’air de refoulement du compresseur. L’air secondaire entre par des trous situés le long de la paroi de la chambre de combustion pour assurer la combustion complète du carburant et commencer le processus de répartition régulière de la chaleur. L’air secondaire constitue à peu près 30% du refoulement du compresseur.

Figure 13 : Mélange de l’air froid et des gaz chauds dans la chambre de combustion Un mélange parfait des gaz chauds est crucial pour la protection de la turbine. Si des poches de gaz chauds venaient à se former et entraient dans la turbine, les ailettes de stator et de rotor pourraient alors se déformer et le métal se trouvant dans la trajectoire des gaz chauds s’affaiblirait dangereusement. Afin d’empêcher la formation de poches de gaz chauds, on installe souvent des petits jeux d’aubes de turbulence au point d’injection du carburant. La plus grande partie de l’air de refoulement du compresseur, environ 50%, circule autour des brûleurs tubulaires. L’air tertiaire se mélange avec les gaz chauds afin de les refroidir jusqu’à ce que la température d’entrée de turbine ne présente aucun danger.

Figure 14 : Vue d’une chambre de combustion

4.2.3. Types de chambres de combustion On utilise trois types de chambres de combustion dans les turbines à gaz :

Chambre de combustion unique

Chambre de combustion annulaire

Chambre de combustion annulaire à tubes (plusieurs chambres de combustion)




4.2.3.1. Chambre de combustion unique Les chambres de combustion uniques conviennent particulièrement aux turbines qui utilisent un compresseur centrifuge étant donné que le flux d’air est déjà divisé radialement au niveau des aubes de diffuseur. Certaines turbines plus petites peuvent n’utiliser qu’une chambre à un seul tube pour la combustion.

Figure 15 : Chambre de combustion unique

4.2.3.2. Chambre de combustion annulaire

Figure 16 : Chambre de combustion annulaire




La chambre de combustion annulaire entoure complètement l’arbre (figure suivante). Les injecteurs de carburant sont insérés dans la chambre annulaire en différents points sur le périmètre de la chambre. La chambre de combustion annulaire fonctionne plus efficacement avec le compresseur axial étant donné que l’air de refoulement peut s’écouler directement dans la chambre sans être acheminé vers des chambres tubulaires séparées. Même si l’on peut installer un grand nombre d’injecteurs autour de la chambre, il est difficile d’obtenir un mélange carburant-air homogène.

Figure 17 : Vue latérale et vue axiale d’une section combustion annulaire

4.2.3.3. Chambre de combustion annulaire à tubes La troisième conception, que préfèrent la plupart des fabricants, est celle de la chambre annulaire à tubes, qui est une combinaison de la chambre de combustion unique et de la chambre annulaire. Cette disposition, que l’on appelle plus communément annulaire à tubes, consiste en plusieurs chambres de combustion espacées uniformément à l’intérieur du carter (figures ci-après). Un mélange parfait des gaz chauds est crucial pour la protection de la turbine. Si des poches de gaz chauds venaient à se former et entraient dans la turbine, les ailettes de stator et de rotor pourraient alors se déformer et le métal se trouvant dans la trajectoire des gaz chauds s’affaiblirait dangereusement.




Figure 18 : Chambre de combustion annulaire à tubes

Afin d’empêcher la formation de poches de gaz chauds, on installe souvent des petits jeux d’aubes de turbulence au point d’injection du carburant. La plus grande partie de l’air de refoulement du compresseur, environ 50%, circule autour des brûleurs tubulaires. Dans la dernière phase au niveau des chambres de combustion, l’air se mélange avec les gaz chauds afin de les refroidir jusqu’à ce que la température d’entrée de turbine ne présente aucun danger.




Figure 19 : Chambre de combustion multitube

Figure 20 : Vue latérale et vue axiale d’une chambre de combustion annulaire multitube




Figure 21 : Multitubes disposés horizontalement




Figure 22 : Disposition de chambres de combustion




4.3. SECTION TURBINE

4.3.1. Conduit de transition Les gaz chauds qui se détendent en sortant de chacune des chambres de combustion convergent progressivement dans un conduit de sortie annulaire intégré. Ce conduit de transition, situé entre les chambres de combustion et les aubes directrices, assure le mélange final des gaz chauds.

Figure 23 : Conduit de transition

4.3.2. Tuyères et roues de turbine Les aubes directrices (tuyères fixes dans le stator de turbine) dirigent les gaz en expansion de façon à leur faire traverser la turbine (figure ci-après).

Tuyères fixes dans le stator de turbine Roue de turbine

Figure 24 : Aubes directrices

Dans la section turbine, il y a trois étages de tuyères fixes (trois rangs) qui dirigent le gaz de combustion chaud contre les auges de turbine, faisant ainsi tourner le rotor de turbine.




Figure 25 : Tuyères fixes et roues de turbine

4.3.3. Rotor de turbine Il est constitué de la roue de premier étage, de l’entretoise (séparateur) premier-deuxième étage, de la roue de deuxième étage, de l’entretoise deuxième-troisième étage, et de la roue de troisième étage. Des ailettes de turbine (auges) sont fixées aux roues de turbine.




Les ailettes (auges) des roues de turbine augmentent en taille du premier au deuxième étage et du deuxième au troisième étage. Le rotor de turbine est connecté au compresseur axial par un arbre. Par un système de double corps, le premier rotor de turbine est connecté au compresseur haute pression par un arbre creux, et le second rotor de turbine est connecté au compresseur basse pression par un arbre qui passe à travers l’arbre de turbine haute pression.

Figure 26 : Fixation des ailettes de turbine à la roue de turbine Une technique de refroidissement est utilisée pour maintenir le revêtement des ailettes à des températures acceptables. L’air constitue le fluide de refroidissement principal qui peut être extrait du compresseur, puis acheminé vers l’ailette de turbine et utilisé comme réfrigérant (figure ci-après).




Figure 27 : Système de refroidissement à ailettes de turbine (ailettes de rotor)

4.3.4. Paliers de rotors

4.3.4.1. Charges agissant sur l’arbre de turbine Comme cela a été dit auparavant, il y a deux forces qui agissent sur tout arbre de machine.




Ce sont :

La charge (force) radiale qui tend à déplacer l’arbre dans le sens radial

La charge (force) axiale qui tend à déplacer l’arbre dans le sens axial Du fait des pressions et des vitesses de rotation élevées, les arbres de turbines ont tendance à vibrer et à bouger dans des directions autres que celle de la simple rotation. Un arbre peut bouger de trois façons différentes :

Mouvement de rotation

Mouvement axial

Mouvement radial (figure ci-après). La rotation de l’arbre est, naturellement, le type de mouvement préféré. Les mouvements radiaux et axiaux sont indésirables puisqu’ils limitent le rendement de la turbine et peuvent l’endommager.

Figure 28 : Mouvements de l’arbre

4.3.4.2. Fonction des paliers de turbine Le mouvement de l’arbre est contrôlé par l’utilisation de paliers. Un palier est un élément de support qui supporte le poids ou la force de pièces rotatives d’une machine. Les paliers d’une turbine à gaz sont similaires à ceux que l’on trouve dans les compresseurs centrifuges. Les paliers radiaux sont généralement des paliers à surface de glissement ou des paliers radiaux à patins oscillants, bien que dans certains cas, on utilise des roulements à billes ou à rouleaux pour les petites machines. Les paliers de butée sont généralement des paliers de butée à portée conique ou à patins oscillants. On utilise des roulements à billes pour certaines applications.




4.3.4.3. Paliers à surface de glissement (paliers à manchons) comme paliers radiaux Les charges importantes nécessitent un moyen de contrôle de l’arbre plus robuste. Les grosses turbines utilisent des paliers à surface de glissement (paliers à manchons) pour contrôler le mouvement radial. Un palier à surface de glissement (palier à manchon) (figure ci-après) est un cylindre creux qui entoure l’arbre. La section d’arbre qui entre en contact avec le palier à manchon s’appelle tourillon. Par conséquent, les paliers à manchons sont aussi appelés paliers à tourillons. Le boîtier du palier renferme le support de palier, le conteneur de palier, et le palier à manchon lui-même.

Figure 29 : Vue d’un palier à surface de glissement




Figure 30 : Palier à surface de glissement

La face d’appui est revêtue d’un métal basse friction (généralement du régule), qui est lubrifié par un écoulement d’huile pressurisée. Le film d’huile pressurisée évite l’usure du palier revêtu de régule, ainsi que de l’arbre. On utilise des paliers de butée pour contrôler le mouvement axial du rotor de turbine. Le palier de butée est constitué d’un collier de butée fixé à l’arbre, d’un boîtier de palier, et de semelles de butée. L’arbre est maintenu en position axiale par les semelles de butée revêtues de régule et par de l’huile pressurisée agissant contre le collier de butée. Pour les paliers radiaux comme pour les paliers axiaux, un film d’huile est utilisé pour éliminer la friction de glissement et de roulement.

4.3.4.4. Paliers à patins oscillants Les avancées récentes dans la conception des paliers ont permis de tirer parti de ce fait pour produire un palier à coin d’huile. Dans un palier radial à coin d’huile, le palier à manchon est divisé en plusieurs sections. Chaque section est libre d’osciller. Tandis que l’arbre tourne dans le palier, les plaques du manchon oscillent pour former des coins d’huile. Les coins d’huile empêchent le fluide de graissage d’être projeté par compression en dehors du boîtier du palier lors des périodes de charge lourde.




Figure 31 : Palier de butée

Figure 32 : Palier radial à patins oscillants




Les mêmes principes s’appliquent également au palier de butée. Les semelles de butée sont fixées à des plaques de nivellement qui pivotent pour former des coins d’huile pendant le fonctionnement de la turbine. Les plaques de nivellement garantissent que chaque semelle supporte une part égale de la charge de poussée.

Figure 33 : Palier de butée à patins oscillants – vue à l’arrêt

Figure 34 : Palier de butée à patins oscillants – vue en rotation




Figure 35 : Palier de butée à patins oscillants

4.3.5. Joints labyrinthes Le joint labyrinthe est constitué d’une série de bandes circonférentielles de métal doux qui partent du boîtier de l’arbre (ou du boîtier du rotor). Dans les turbines à gaz, on utilise les joints labyrinthes dans deux zones différentes :

Dans la section turbine, pour obtenir l’étanchéité autour du rotor. Leur fonction est de réduire les fuites de gaz de la zone haute pression vers la zone basse pression.

Dans le boîtier du palier, pour réduire les fuites d’air pressurisé vers l’extérieur. Si l’air pressurisé s’échappe, l’huile de graissage s’échappera également.

Figure 36 : Le joint labyrinthe entoure l’arbre




Les fuites des joints labyrinthes sont plus importantes que pour tous les autres types de joints. Ils ne peuvent arrêter totalement l’écoulement des fluides. Ils servent à réduire les fuites et non pas à les arrêter complètement.

Figure 37 : Joints labyrinthes en deux moitiés Les principaux avantages des joints labyrinthes sont leur simplicité, leur fiabilité, leur tolérance à la saleté, leur adaptabilité aux différents systèmes, leur très faible consommation de puissance sur l’arbre, leur flexibilité quant au choix du matériau, leur effet minimal sur la dynamique du rotor, la réduction de la rétrodiffusion, l’intégration de la pression, l’absence de limitations en pression, et leur tolérance aux variations thermiques importantes. Les inconvénients principaux sont les fuites importantes, la réduction du rendement de la machine et l’augmentation des coûts d’amortissement. Ce système permet de monter le joint avec le jeu minimal. Les portées peuvent donc couper dans les matériaux doux, ce qui permet d’obtenir les jeux de fonctionnement nécessaires à une adaptation aux excursions dynamiques du rotor.




Figure 38 : Différentes configurations de joints labyrinthes




4.4. SECTION ECHAPPEMENT Une fois que les gaz chauds se sont détendus dans la section turbine, ils vont vers la section échappement, et sont rejetés à l’extérieur.




5. SYSTEMES DE SUPPORT DE LA TURBINE A GAZ Les trois principaux processus qui ont lieu dans la turbine à gaz sont les suivants :

Compression.

Combustion

Détente. Ces trois phases constituent la base de la manipulation moléculaire à partir de laquelle l’énergie mécanique est obtenue. La turbine à gaz doit être capable de supporter ces processus à très grande échelle pendant une longue période. La turbine a besoin de plusieurs systèmes de support pour remplir la fonction requise de façon satisfaisante. Ces systèmes sont les suivants :

Circuit huile de graissage

Circuit carburant

Circuit air et filtrage de l’air d’entrée

Circuit huile d’étanchéité

Systèmes de commande

5.1. CIRCUIT HUILE DE GRAISSAGE

5.1.1. Fonction du circuit huile de graissage La fonction du circuit huile de graissage est de fournir de l’huile de graissage propre, de qualité supérieure, aux paliers et aux pignons de la turbine à gaz. L’huile de graissage qui circule sert à réduire la friction des pièces en mouvement et à évacuer la chaleur produite par cette friction. De plus, le circuit d’huile de graissage envoie aux circuits d’huile d’étanchéité et d’huile d’asservissement de l’huile à la pression régulée de l’entrée moteur.

5.1.2. Circuit huile de graissage de la turbine Le circuit d’huile de graissage est constitué de six composants principaux.




Ce sont :

Le réservoir d’huile

Les pompes à huile

Une pompe principale entraînée par l’arbre de turbine qui fait circuler l’huile en fonctionnement normal. Une pompe auxiliaire à moteur électrique à courant alternatif. Une pompe auxiliaire à moteur électrique à courant continu. Ces deux pompes auxiliaires (les deux dernières) sont utilisées lors des démarrages et des arrêts.

Les filtres et crépines à huile

Le refroidisseur d’huile

Le réchauffeur d’huile

Les sélecteurs et dispositifs de protection.

5.1.2.1. Réservoir d’huile La plus grande partie de l’huile de graissage est contenue dans le réservoir d’huile de graissage. La quantité d’huile nécessaire pour lubrifier la machine efficacement diffère d’un modèle à l’autre. Quelle que soit la capacité en huile, le volume (ou la capacité) du réservoir d’huile de graissage doit toujours être supérieur à sa capacité d’huile maximale dans le circuit afin de pouvoir répondre à l’expansion de l’huile de graissage et de permettre une ventilation efficace des vapeurs d’huile.

5.1.2.2. Pompes à huile L’huile de graissage est extraite du réservoir par la pompe de graissage principale qui est entraînée par la turbine à gaz elle-même ou par un moteur d’entraînement indépendant électrique, à gaz ou à air. Les pompes entraînées par la turbine à gaz sont connectées à l’arbre de turbine via un réducteur de vitesse, car les pompes à huile de graissage ne peuvent pas supporter les régimes élevés de la turbine. La pompe de graissage principale est utilisée quand la turbine fonctionne à pleine vitesse.




Au moment des démarrages et des arrêts, cependant, l’arbre de turbine tourne trop lentement pour pouvoir entraîner une pompe de graissage quelconque. C’est pour cela qu’une pompe de graissage auxiliaire est utilisée pour imprégner les paliers de turbine avant le démarrage. La pompe auxiliaire continue à maintenir la pression de l’huile de graissage jusqu’à ce que la turbine atteigne le régime de ralenti (62 à 65% de la vitesse nominale) ou jusqu’à ce que la pression d’huile générée par le moteur soit établie. A ce moment-là, la pompe principale tourne suffisamment vite pour satisfaire aux besoins du système. Au moment de l’arrêt de la turbine, la pompe à huile auxiliaire s’enclenche à nouveau et continue à assurer le graissage des paliers jusqu’à ce que la machine se soit arrêtée et que les paliers se soient refroidis. Si la pompe principale est entraînée par une source indépendante, l’utilisation d’une pompe auxiliaire au moment des démarrages et des arrêts devient inutile. Toutefois, la pompe auxiliaire est utilisée pour contribuer à maintenir la pression d’huile de graissage, dans le cas où la pompe principale ne pourrait pas maintenir la pression toute seule. La pompe principale et les pompes auxiliaires sont généralement similaires en ce qui concerne les débits et les pressions de refoulement nominaux La pompe de graissage de secours constitue, comme son nom l’indique, la dernière ligne de défense en ce qui concerne la lubrification, en cas de panne de la pompe principale et des pompes auxiliaires. La pompe de graissage de secours (ELOP : emergency lube-oil pump) a une capacité beaucoup moindre que les pompes primaires. En cas de panne de la pompe principale et des pompes auxiliaires, la pompe de secours fournira une quantité minimale d’huile de graissage aux paliers, pendant que la turbine s’arrêtera et refroidira. La pompe de secours doit être capable de fonctionner pendant que la pompe principale et les pompes auxiliaires ne le peuvent pas. Par conséquent, l’ELOP doit être entraînée par une source d’énergie différente. Par exemple, si la pompe à huile principale est entraînée par un moteur électrique, l’ELOP pourra être entraîné par n’importe quel moyen, sauf un moteur électrique. En maintenant les sources d’énergie séparées, les pannes de pompes dues aux problèmes d’énergie n’affecteront pas le système de secours.

5.1.2.3. Filtres à huile et crépines Quand l’huile revient des boîtiers de paliers et des boîtes d’engrenages, elle est chargée de saleté, de particules dures et d’agents corrosifs. Les particules en suspension dans l’huile pourraient se loger dans les espacements réduits des paliers et des faces de joints, si on les laissait retourner vers le moteur. Ces contaminants provoquent une lubrification inégale des pièces en mouvement, et il en résulte une usure excessive et une défaillance précoce des paliers. Pour éviter cette contamination, l’huile de graissage passe par des filtres à huile.




Chaque filtre à huile renferme habituellement plusieurs éléments de filtrage, chaque élément consistant en une cartouche de papier plissé remplaçable. La plupart des systèmes sont conçus pour filtrer des particules d’une taille supérieure à 10 micromètres (0,01 millimètres). Sur une période de plusieurs mois, ces éléments sont colmatés par les contaminants charriés. Quand cela se produit, la pression d’huile en amont du filtre colmaté commence à monter. Le fait qu’une chute de pression (ΔP) soit le résultat d’une obstruction aide à détecter un filtre colmaté. Un manostat indicateur de pression différentielle (IDPS : indicating differential-pressure switch) est placé au niveau du filtre à huile de façon à enjamber la conduite d’huile amont et la conduite d’huile aval. Le manostat détecte les différences de pression entre les deux conduites. Si la pression différentielle atteint une certaine valeur de consigne (généralement 10-20 psi), une alarme retentit. Les éléments doivent alors être remplacés. Afin de contrôler la surpression du circuit, on place un clapet de décharge régulateur de pression (que l’on appelle parfois soupape de sûreté) dans les tuyauteries du circuit d’huile, avant les filtres à huile. Cette soupape de sûreté reste fermée en fonctionnement normal. Si la pression de l’huile dépasse la valeur de consigne, l’excédent de pression dépasse la force de fermeture du ressort. Quand la soupape s’ouvre, l’huile est renvoyée vers le réservoir d’huile de graissage, diminuant ainsi la pression dans la tuyauterie.

5.1.2.4. Refroidissement de l’huile de graissage Si de l’huile à viscosité élevée peut endommager la turbine, de l’huile à faible viscosité peut avoir le même effet. Une faible viscosité peut être provoquée par la surchauffe des pièces en mouvement de la turbine. Cette chaleur est transférée à l’huile de graissage et ramenée au réservoir d’huile de graissage. Une chaleur excessive peut faire disparaître les propriétés lubrificatrices de l’huile. Afin d’éviter cette disparition des propriétés de l’huile, l’huile qui sort de la pompe principale passe par une refroidisseur d’huile. Le refroidisseur d’huile est généralement un radiateur huile/air avec ventilateur (refroidisseur à air). L’huile de graissage passe par le radiateur à tubes à ailettes, tandis que le ventilateur souffle de l’air de refroidissement à travers les tubes. Après être passée par le refroidisseur, l’huile passe par une vanne thermostatique de mélange. La vanne thermostatique régule les limites supérieures de la température du circuit d’huile. Au démarrage du moteur, la vanne dévie l’huile froide de façon à lui faire contourner le refroidisseur d’huile. Au fur et à mesure que la température de l’huile en circulation s’élève, la vanne thermostatique s’ouvre graduellement. La vanne de mélange envoie suffisamment d’huile vers le refroidisseur pour maintenir la température nominale de l’huile de graissage.




5.1.2.5. Réchauffeurs d’huile Afin de lubrifier efficacement les pièces en mouvement, l’huile doit avoir une certaine épaisseur, ou viscosité. La viscosité d’un fluide peut être abaissée en le chauffant. Si l’huile de graissage qui entre dans un boîtier de palier est trop visqueuse (épaisse), l’huile risque de ne pas pouvoir passer par les espacements serrés du palier selon le débit voulu. L’huile visqueuse peut provoquer l’échauffement et la défaillance des paliers. Pour empêcher de l’huile à viscosité élevée d’entrer dans la turbine, des réchauffeurs sont installés dans le réservoir d’huile de graissage. Si la température de l’huile (qui est en rapport direct avec la viscosité) descend au-dessous d’une certaine valeur de consigne, un thermostat met le réchauffeur en fonctionnement. Le thermostat maintient une température minimale de l’huile de 55 à 60°F.

5.1.3. Distribution de l’huile de graissage Jusqu’ici, l’huile de graissage a été contrôlée en température, contrôlée en pression, et filtrée. L’huile doit maintenant correspondre à des spécifications de conception pour assurer une lubrification efficace du moteur. L’étape suivante dans le circuit d’huile de graissage est le collecteur. Ici, l’huile est séparée et acheminée vers les différents points du moteur qui doivent être lubrifiés. L’huile dans le collecteur d’huile de graissage est répartie entre trois zones principales du carter de turbine :

Le relais d’accessoires (conduite n° 1 – organigramme ci-dessous)

Le carter du diffuseur (conduite n° 2)

Et l’entraînement de démultiplication (conduite n° 3 sur l’organigramme ci-dessous).

Le relais d’accessoires est un ensemble qui comprend des réducteurs de vitesse, des pignons d’entraînement, et l’embrayage démarreur. Le boîtier de cet ensemble est fixé à l’extrémité avant de l’entrée d’air. La fonction du relais d’accessoires est de réduire la vitesse de sortie de la turbine pour entraîner les accessoires tels que la pompe de graissage, la pompe à huile d’étanchéisation, la servo-pompe à huile, le régulateur carburant et tout autre équipement supplémentaire nécessaire. Le relais d’accessoires comporte également l’embrayage démarreur, par l’intermédiaire duquel le moteur électrique (ou le moteur à combustion) de démarrage entraîne le rotor de turbine au démarrage.




Figure 39 : Distribution de l’huile de graissage




L’huile qui va au boîtier du relais d’accessoires lubrifie les pignons par un jet. Le brouillard d’huile créé par ce jet enduit les pignons d’un mince film lubrifiant. L’huile s’écoule du boîtier du relais d’accessoires par gravité et retourne vers le réservoir d’huile de graissage. Une partie de l’huile qui entre dans le boîtier du relais d’accessoires est déviée vers le boîtier de l’entrée d’air par des voies internes. Ici, les jets d’huile aspergent les points d’engrenage du train de pignons du relais d’accessoires et le palier avant du rotor de compresseur. Un jet d’huile séparé lubrifie le pignon d’entraînement du rotor de compresseur. Les paliers restants sont lubrifiés par les éclaboussements et les brouillards d’huile créés par les jets d’huile. L’huile s’écoule du boîtier d’entrée d’air par gravité et pénètre dans le boîtier du relais d’accessoires.

5.2. CIRCUIT CARBURANT Le circuit carburant envoie du gaz naturel propre, régulé en pression, aux chambres de combustion afin de chauffer efficacement l’air comprimé. Le filtrage du gaz naturel est effectué par des filtres dans la conduite carburant. Si les chambres de combustion sont trop chaudes, la température excessive risque d’endommager les composants métalliques des chambres de combustion ainsi que le rotor et les stators de la turbine. Si les chambres de combustion sont trop froides, le rendement de la turbine chute. On peut utiliser deux types de circuits carburant dans les turbines à gaz :

Le circuit gaz naturel

Le circuit carburant liquide

5.2.1. Circuit gaz naturel Le circuit de gaz naturel, en conjonction avec le système de commande électrique, comprend tous les composants nécessaires pour réguler le carburant selon les critères voulus au démarrage et pour moduler le débit du carburant pendant le fonctionnement. Le système assure également le contrôle de la température du flux de carburant lors des démarrages, des accélérations et du fonctionnement.




5.2.2. Circuit carburant liquide Le circuit de carburant liquide nécessite une source d’air extérieur ; pendant le cycle de démarrage, du carburant atomisé doit être envoyé pendant une période pouvant atteindre trois minutes. Cet air nécessaire est obtenu par l’utilisation d’un compresseur d’atomisation d’air. A la vitesse de fonctionnement normale, la source d’atomisation de l’air est obtenue intérieurement par le refoulement du compresseur de la turbine à gaz. Le circuit de carburant liquide comprend :

Une pompe carburant haute pression

Un actionneur de régulation carburant électro-hydraulique

Des injecteurs carburant

Des filtres carburant basse pression duplex avec éléments de filtrage de 10 micromètres remplaçables

Un filtre carburant haute pression simplex, 25 micromètres

Un manomètre de mesure de la pression carburant liquide

Un manocontacteur de niveau bas carburant

5.3. CIRCUIT D’AIR ET FILTRAGE DE L’AIR D’ENTREE

5.3.1. Fonction du circuit d’air L’air est un élément essentiel dans le fonctionnement de la turbine à gaz. La force des molécules d’air qui se détendent rapidement entraîne les rotors de la première roue de turbine (turbine de compression) et de la turbine de charge. Les molécules d’air sont donc les principaux transporteurs d’énergie entre la chambre de combustion et la turbine de puissance. Toutefois, leur utilité ne se limite pas à cette tâche. L’air sert aussi à pressuriser les joints à huile, à refroidir les disques de rotors, à éviter le pompage aux vitesses critiques, et à fournir de l’air de régulation aux différents systèmes pneumatiques. Le circuit d’air commence à fonctionner avec la rotation du compresseur, lors du démarrage. L’air, qui est aspiré, passe par le boîtier d’entrée d’air et arrive dans le compresseur. L’air est comprimé, passe par le diffuseur et arrive à la chambre de combustion, dans laquelle du carburant est injecté et le mélange combustible est brûlé. La




combustion transforme l’air en un gaz chaud qui se détend en traversant la turbine, produisant ainsi de l’énergie mécanique. Le gaz d’échappement est évacué dans l’atmosphère par le collecteur d’échappement.

5.3.2. Prélèvement d’air Afin de pouvoir l’utiliser pour d’autres fonctions de support, de l’air doit être prélevé avant qu’il n’atteigne la chambre de combustion. Trois points principaux de la turbine à gaz sont idéaux pour prélever de l’air :

N’importe où le long des étages du compresseur axial.

Le boîtier du support de palier du générateur de gaz.

Le boîtier de la chambre de combustion.

5.3.3. Refroidissement du rotor de turbine Les gaz chauds sortent de la chambre de combustion à des températures qui dépassent 1600°F. Cette chaleur peut déformer les ailettes de rotor. Au fur et à mesure que les ailettes en rotation chauffent, le métal commence à s’affaiblir. La force centrifuge provoque l’allongement des ailettes de rotor chaudes. Cette élongation des pièces métalliques s’appelle fluage. Si le fluage des ailettes de rotor est trop important, les ailettes peuvent casser. Arrêter la turbine pour contrôler et remplacer les ailettes métalliques est coûteux et prend du temps. Pour cette raison, il est essentiel de refroidir les ailettes de rotor. Le fluage peut être évité en refroidissant les ailettes de rotor. De l’air de refroidissement est prélevé au dernier étage du compresseur axial. Des trous percés dans le boîtier du support de palier du compresseur permettent à l’air haute pression de pénétrer dans le boîtier du support de palier du générateur de gaz. A ce niveau, l’air s’écoule autour de la chambre de combustion et arrive à l’axe central du générateur de gaz. Il s’écoule ensuite par les moyeux des disques de rotor de la turbine génératrice de gaz. Entre les disques de premier et de deuxième étage, des trous radiaux permettent à l’air de refroidissement de s’écouler vers l’extrémité arrière du disque de premier étage. Ce sont les ailettes de rotor du premier étage de la turbine qui subissent le plus les effets de la chaleur de la chambre de combustion. Un système spécial a été conçu pour refroidir ces ailettes. Une petite quantité de l’air de refoulement du compresseur est acheminée, par un conduit annulaire, vers le diaphragme de la tuyère de premier étage. L’air s’écoule par des trous de calibrage, arrive dans le diaphragme, et refroidit le bord d’attaque des ailettes de rotor du premier étage de la turbine.




Dans certaines conceptions, le fabricant ajoute quelques trous radiaux dans les ailettes de rotor. L’air refroidi passe par ces trous ; cela refroidit efficacement les ailettes (figure ci-après).

Figure 40 : Système de refroidissement des

ailettes

5.3.4. Silencieux acoustique du système d’entrée d’air et chambre de tranquillisation en entrée Le compresseur axial fournit l’air pressurisé nécessaire pour remplir les fonctions du circuit d’air. Le système d’entrée d’air du turbogénérateur à gaz est normalement constitué d’un filtre d’entrée d’air, d’un silencieux d’entrée d’air et de conduites de connexion. Etant donné les énormes quantités d’air consommées par la turbine à gaz, un silencieux acoustique et une chambre de tranquillisation en entrée sont souvent installés au niveau de l’aspiration du compresseur. Le silencieux acoustique dévie le son du flux d’air d’aspiration qui s’engouffre et le fait rentrer dans un système de répartiteurs acoustiques parallèles installés dans une coquille rectangulaire. L’air est ensuite forcé à pénétrer dans la chambre de tranquillisation et cela contribue à réduire sa turbulence avant qu’il n’entre dans le compresseur.




5.4. SYSTEMES DE REGULATION

5.4.1. Régulation de la pression carburant La régulation de la pression n’est pas si facile à obtenir. La difficulté de la régulation de la pression provient du fait que la pression dans la chambre de combustion peut varier de 14,7 psi (pression atmosphérique) à 100 psi lors du démarrage du compresseur. Par conséquent, la pression d’injection du carburant doit augmenter progressivement pendant le démarrage de façon à maintenir une chute de pression relativement constante dans l’injecteur de carburant et faire en sorte que le transfert de la chaleur provenant de la flamme du brûleur se fasse de manière régulière et contrôlée.

5.4.2. Régulation de la vitesse Les charges sur l’arbre peuvent varier au cours de la routine journalière d’une turbine. Une augmentation ou une réduction de la charge fera varier la vitesse de la turbine de puissance d’un moteur à arbre unique. C’est toutefois à la vitesse nominale prévue que les turbines fonctionnent le plus efficacement. Au fur et à mesure que les besoins en charge varient, la vitesse de la turbine doit être réglée pour lui faire reprendre les vitesses nominales. On obtient les réglages de vitesse en brûlant plus ou moins de carburant dans la(les) chambre(s) de combustion. Pour compenser les variations de vitesse d’un moteur à arbre unique, on doit disposer de moyens pour détecter les variations de vitesse et d’autres moyens pour agir sur le volet des gaz. On a souvent recours à un régulateur à masselottes pour compenser les variations de vitesse d’un arbre en rotation (figure suivante). Le régulateur, dans sa forme primitive, est constitué d’une paire de poids, appelés masselottes, d’un ressort de tension, et d’une tige de régulation. Le régulateur est monté sur un arbre rotatif. Tandis que l’arbre et le régulateur tournent, la force centrifuge fait que les masselottes s’écartent l’une de l’autre. Si l’arbre tourne trop vite, les masselottes s’éloignent considérablement l’une de l’autre. Si l’arbre ralentit, les masselottes se rapprochent l’une de l’autre. Chaque mouvement des masselottes provoque un mouvement correspondant le long de la tige de régulation. Cette tige lie l’action des masselottes au système de connexion du volet des gaz. Ainsi, toute modification de la vitesse de l’arbre provoquera une action qui tendra à faire revenir la vitesse de l’arbre à sa valeur nominale.




Au démarrage

A vitesse normale

En survitesse

Figure 41 : Régulateur à masselottes




Figure 42 : Système de l’actionneur principal de régulation du débit carburant




Les récentes avancées en électronique et en logique ont éliminé la nécessité du régulateur à masselottes, le remplaçant par un actionneur principal de régulation de débit carburant qui régule la vitesse de la turbine. Au moment du démarrage, un signal généré est envoyé au régulateur à actionneur de régulation carburant. A 15% de la vitesse, le régulateur reçoit un signal lui indiquant qu’il doit ouvrir progressivement le volet des gaz pour que l’allumage de la torche se produise. Lorsque les thermocouples (détecteurs de chaleur) de la chambre de combustion détectent l’allumage de la torche (environ 350°F), ils ferment un relais qui relie les actionneurs de vitesse et de température à l’actionneur principale de régulation du débit carburant. La vitesse de l’arbre est surveillée par des sondes de proximité magnétiques positionnées au-dessus d’une encoche dans l’arbre (figure ci-après). Ces sondes génèrent ou créent un champ électromagnétique qui fluctue en même temps que la distance entre l’arbre et la pointe de la sonde varie. Pendant que l’arbre tourne, le signal du courant de retour est relativement stable jusqu’à ce que l’encoche de l’arbre traverse le champ magnétique pour être enregistrée comme fluctuation de courant dans la circuiterie de la sonde. Un pic de signal (une impulsion) dans la circuiterie de la sonde égale une révolution de l’arbre.

Figure 43 : Sonde indicatrice de vitesse

Le régime de l’arbre du générateur de gaz et celui de l’arbre de la turbine de puissance, mesurés par les sondes magnétiques, sont comparés à des valeurs de consigne dans le régulateur à actionneur de régulation carburant. Si la vitesse de l’un des arbres dépasse sa valeur de consigne, le régulateur envoie un signal à l’actionneur principal de régulation de débit carburant lui indiquant de fermer le volet des gaz jusqu’à ce que la vitesse redescende à la valeur de consigne. De la même façon, si l’un des arbres descend à une vitesse inférieure à la valeur de consigne, le régulateur envoie un signal à l’actionneur principal de régulation de débit carburant lui indiquant d’ouvrir le volet des gaz jusqu’à ce que la vitesse remonte à la valeur de consigne. Les thermocouples de la chambre de combustion ont également un certain contrôle sur l’actionneur principal de régulation de débit carburant. Si la température de la chambre de combustion dépasse sa valeur de consigne, le régulateur envoie un signal à l’actionneur




principal de régulation de débit carburant lui indiquant de fermer le volet des gaz, ce qui a pour effet de réduire la température de la chambre de combustion. Le régulateur à actionneur principal de régulation carburant apporte une grande flexibilité au fonctionnement de la turbine. Le régulateur peut être programmé pour maintenir une vitesse constante de la turbine de compression, une vitesse constante de la turbine de puissance, ou une pression constante du refoulement compresseur, selon les besoins du système. Un autre avantage réside dans le fait que le fonctionnement du moteur peut être surveillé et commandé à distance. Le régulateur à masselottes et l’actionneur principal de régulation du débit carburant agissent directement sur le volet des gaz pour réguler la vitesse de la turbine. Le volet des gaz le plus simple est du type papillon et il est installé dans le circuit carburant en amont de la rampe d’injection carburant. La fonction de ce volet est de doser le carburant qui va aux chambres de combustion de façon à influer sur la vitesse de la turbine.

5.4.3. Régulation pneumatique de la vitesse La régulation pneumatique de la vitesse est conçue de sorte à réguler les vitesses de fonctionnement du moteur en agissant sur le régulateur carburant via un signal air. L’air de régulation s’écoule vers l’ensemble de réglage de vitesse du régulateur, monté sur le haut du régulateur carburant et connecté par une tige à diaphragme au levier flottant du régulateur. Tandis que l’on règle la commande d’air sur le panneau de régulation de vitesse, le signal air allant du panneau à l’ensemble de réglage de vitesse du régulateur varie proportionnellement de 3 à 15 psig. Le signal air au niveau du régulateur agit sur un diaphragme et le fait se déplacer en opposition à la force exercée par un ressort. Le mouvement du diaphragme est transmis par la tige du diaphragme au levier flottant du régulateur. Le mouvement du levier flottant du régulateur augmente ou réduit la force du ressort du variateur de vitesse, ouvrant ou fermant ainsi le volet des gaz.

5.4.4. Régulation du pompage La pression de refoulement du compresseur envoie l’air pressurisé aux joints labyrinthes et à la chambre de combustion. La pressurisation complète en provenance du compresseur ne se fait toutefois pas facilement. Au cours de l’accélération du moteur, le compresseur doit passer par une période difficile de pompage avant d’atteindre son débit de refoulement total. Le pompage est le phénomène de fluctuations momentanées, périodiques de la pression de refoulement de l’air du compresseur. Cela se produit pendant l’accélération, au moment où le compresseur commence à refouler de l’air plus vite qu’il ne peut en recevoir. Cette situation provoque la formation de poches de basse pression à l’intérieur du




compresseur. Etant donné que les hautes pressions tendent à se déplacer vers les basses pressions, l’air de refoulement retourne momentanément dans le compresseur pour remplir la poche basse pression. Les faibles pompages sont un phénomène normal lors de l’accélération du compresseur. Une fois dépassée la vitesse critique, le pompage ne se produira plus. Toutefois, on ne doit pas ignorer les faibles pompages si l’on veut éviter que le pompage ne se transforme en problème majeur. Les pompages importants ont un effet très destructeur sur le compresseur. Lorsque l’air de refoulement retourne dans le compresseur, il acquière davantage de chaleur au cours de la seconde pressurisation. Si l’air de refoulement devait aller et venir sans arrêt, la température de l’air surcomprimé atteindrait des niveaux destructeurs. Les garnitures et les joints se désintégreraient, et l’huile de graissage surchaufferait. Lors d’un pompage important, le compresseur serait violemment secoué. Le palier de poussée pourrait être détruit si le pompage n’était pas régulé. Une des méthodes utilisées pour réguler un pompage est de faire chuter la contre-pression de l’air de refoulement (figure ci-dessus). Tandis que l’air de refoulement retourne dans le compresseur, de l’air est prélevé en un emplacement situé entre les étages et envoyé vers le collecteur d’échappement, ce qui empêche l’air qui retourne en arrière de se repressuriser. Cette chute de pression est obtenue au moyen d’un clapet de prélèvement d’air dans le compresseur. Ce clapet à piston muni d’un ressort et normalement ouvert est monté sur le boîtier de la chambre de combustion. L’air de prélèvement inter-étages est évacué par des orifices radiaux pratiqués à la base des parois intérieures du logement du clapet de prélèvement d’air. L’air de refoulement du compresseur entre dans le clapet et s’écoule vers un compartiment derrière le piston. Tandis que la pression de refoulement du compresseur augmente, l’air pressurisé dépasse la force du ressort du piston et ferme le clapet. A 75% de la vitesse du moteur (pression de refoulement d’environ 42 psig), le clapet est totalement fermé. En utilisant ce clapet, on réduit les pressions entre étages aux vitesses moteur qui présentent le plus de risques de pompage dans le compresseur. Une autre méthode utilisée pour réduire le pompage est de fournir davantage d’air au niveau de l’aspiration du compresseur de façon à ce que la pression d’entrée du compresseur reste au même niveau que la pression de refoulement du compresseur. Cela est facile à obtenir en faisant retourner une petite quantité d’air de refoulement compresseur à l’entrée du compresseur.




Figure 44 : Réduction de la contre-pression entre étages




Le transmetteur de ΔP d’entrée détecte la chute de pression à l’entrée du compresseur. Le transmetteur de ΔP du compresseur détecte la montée en pression dans le compresseur. Un régulateur anti-pompage compare ces deux signaux. Alors que la machine se rapproche des conditions de pompage, le régulateur anti-pompage transmet un signal de sortie à un convertisseur courant-pression (I/P). La pression du convertisseur I/P ouvre le clapet de recyclage, permettant à la quantité voulue d’air de refoulement de retourner au niveau de l’aspiration du compresseur. Le prélèvement d’air inter-étages fait chuter la contre-pression de l’air de pompage. La conduite d’air de recyclage apporte une pression d’aspiration supplémentaire pour empêcher la présence d’air de pompage. La première méthode traite le mal ; la seconde méthode le prévient. Les deux méthodes sont utilisées avec succès pour réguler la pressurisation pendant l’accélération du compresseur.

5.4.5. Système d’aubes variables du compresseur axial Le système d’aubes variables sert à maintenir la performance maximale du compresseur moteur à toutes les vitesses de fonctionnement. L’air qui entre dans les aubes directrices du compresseur d’air lors du démarrage doit acquérir une vitesse suffisante pour faire tourner les rotors et se comprimer. Les tuyères des aubes directrices d’entrée et des premier et deuxième étages sont dans leur position d’ouverture minimale. La petite ouverture agit comme un orifice, convertissant l’énergie de la pression en énergie de la vitesse. A pleine vitesse, la turbine de compression entraîne le compresseur d’air, et la consommation d’air est énorme. Les tuyères d’entrée et les tuyères de premier étage et de deuxième étage ne doivent pas restreindre les grandes quantités d’air qui entrent dans le compresseur. Par conséquent, ils s’ouvrent au maximum au fur et à mesure que le moteur se rapproche de sa vitesse nominale. Pour faire fonctionner le système à aubes variables, il existe deux conceptions différentes : le système fonctionne soit à l’air comprimé (actionneur pneumatique), soit au moyen d’un actionneur hydraulique. Les différentes positions des aubes modifient l’angle effectif de l’écoulement d’air entre les ailettes de rotor. L’angle détermine les caractéristiques de compression pour un étage de compression donné. En modifiant la position des aubes variables, les étages de basse pression critique sont automatiquement réalignés pour maintenir un écoulement d’air et une performance du compresseur satisfaisants à toutes les vitesses de fonctionnement.




Figure 45 : Vue extérieure du système d’aubes variables de la section compression

5.4.6. Air comprimé pour faire fonctionner les systèmes de commande L’air régulé en pression est utile pour faire fonctionner différents systèmes de commande. Le système d’aubes variables et le système pneumatique de régulation de la vitesse utilisent de l’air de régulation :

Le système d’aubes variables qui sert à commander les aubes directrices d’entrée et les aubes de premier et de deuxième étage pour modifier leur angle par rapport aux rotors du compresseur pendant la pressurisation du compresseur.

Le système pneumatique de régulation de la vitesse, par contre, est un instrument de régulation beaucoup plus subtile. L’air de régulation de la vitesse doit être régulé à 20 psig avant que l’instrument ne fonctionne correctement.

Dans les deux cas, cependant, la pression de l’air du compresseur sert à réguler des fonctions du moteur et à améliorer le rendement du moteur.




6. CONFIGURATION DE LA TURBINE A GAZ Il existe trois types communs de turbines :

A un arbre unique (un seul rotor)

A un arbre en deux sections (deux rotors)

Moteur à double corps (turbine à arbre triple)

6.1. ARBRE UNIQUE La roue de la turbine de puissance (également appelée turbine de charge) est montée sur le même arbre que le rotor du compresseur et la turbine (première roue).

Figure 46 : Composants d’une turbine à arbre unique

La disposition à arbre unique est idéale pour entraîner une charge régulière étant donné que le compresseur a la possibilité de fonctionner à une vitesse constante et efficace. Dans de nombreux cas toutefois, des charges doivent être mises en ligne ou retirées de la ligne au fur et à mesure que les exigences des procédés changent. Si une turbine à arbre unique fonctionnant à son rendement le plus élevé devait soudainement assumer une charge supérieure, la vitesse de l’arbre diminuerait sous la force accrue de la résistance de couple. Une vitesse d’arbre plus faible ferait perdre au compresseur une partie de sa capacité de compression de l’air d’entrée (taux de compression). Tandis que l’air de refoulement du compresseur deviendrait moins dense, il faudrait brûler davantage de carburant pour maintenir le volume de gaz en expansion. Le rendement de la turbine chuterait.




6.2. ARBRE EN DEUX SECTIONS Pour éviter ces fluctuations du taux de compression et la baisse consécutive de rendement de la turbine, certaines turbines de puissance sont montées sur un arbre séparé qui va jusqu’à l’extrémité arrière du carter de turbine. Ce système d’arbre en deux sections permet au générateur de gaz (compresseur et première roue de turbine) de fonctionner à 100% de la vitesse nominale, ce qui correspond à la vitesse la plus efficace, tandis que la vitesse de la turbine de charge varie selon les besoins de charge. L’arbre de la turbine de puissance va jusqu’à l’extrémité arrière du carter de turbine et s’engrène avec un train de pignons. Les équipements entraînés, comme les pompes, les compresseurs, ou les générateurs, reçoivent le couple de force par l’intermédiaire de ce train de pignons. Parfois, ces pignons réduisent la vitesse de l’arbre à rotation élevée pour l’amener à un régime qui convient mieux. Dans ce cas, on appelle le train de pignons démultiplicateur. Dans d’autres cas, les pignons servent à augmenter le régime de l’arbre de turbine au niveau de l’équipement entraîné. On appelle alors ce système multiplicateur. Le principale avantage du système de l’arbre en deux sections est la possibilité de faire fonctionner la turbine de puissance à une vitesse différente de celle du générateur de gaz. Cela donne plus de flexibilité pour le fonctionnement de l’équipement entraîné et constitue un avantage considérable en ce qui concerne la régulation de la vitesse des compresseurs centrifuges et des pompes centrifuges.

Figure 47 : Composants d’une turbine à gaz à arbre en deux sections




6.3. MOTEUR DOUBLE CORPS Dans ce type de conception, on utilise un grand compresseur axial pour fournir l’air comprimé nécessaire. Le compresseur d’air est divisé en deux compresseurs plus petits qui fonctionnent en série (figure ci-dessus). Le premier compresseur, basse pression (compresseur n°1), rejette l’air dans l’entrée du second compresseur, qui est le compresseur haute pression (compresseur n°2). Le compresseur haute pression est entraîné par la roue de la turbine haute pression (turbine n°2) par l’intermédiaire d’un arbre creux. Le compresseur basse pression (compresseur n°1) est entraîné par la turbine basse pression (n°1) par l’intermédiaire d’un arbre qui passe à l’intérieur de l’arbre de la turbine haute pression et est concentrique avec cet arbre. Les deux turbines fonctionnent indépendamment, bien qu’elles soient reliées aérodynamiquement. Le gaz d’échappement de la turbine basse pression (n°1) sert à entraîner la turbine de puissance. L’arbre de la turbine de puissance fonctionne totalement indépendamment des deux autres arbres et il sert à entraîner la charge. On appelle un moteur ayant cette configuration moteur double corps. Les deux compresseurs dans la configuration double corps partagent la charge de compression. Au lieu d’avoir un taux de compression de 20/1, chaque compresseur a un taux de compression qui n’est que de 4 /1 ou de 5/1. Cependant, avec les deux compresseurs qui fonctionnent ensemble, le taux de compression net est identique à celui du moteur mono-corps. Les taux de compression plus faibles du moteur double corps réduisent l’effet de pompage.

Figure 48 : Moteur double corps




7. DEMARRAGE DE LA TURBINE A GAZ Le démarrage de la turbine à gaz nécessite l’interaction complexe de l’alimentation en gaz, du moteur de lancement, de l’allumage de la torche, et de l’allumage du brûleur. La turbine à gaz a besoin d’une énergie extérieure pour démarrer, tout comme le moteur à combustion interne. Cependant, les séquences de démarrage sont quelque peu plus compliquées pour la turbine. Quand la soupape de démarrage est ouverte, la pression de gaz se dirige vers le régulateur de débit et vers une chambre derrière la noix de démarreur. La pression du gaz contre la noix de démarreur actionne un piston, qui s’accouple avec la noix de démarreur par sa mâchoire d’accouplement à l’extrémité arrière de l’arbre de sortie du relais d’accessoires. Le moteur de lancement est alors fermement relié à l’arbre d’entraînement du compresseur. Tandis que la pression se dirigeant vers le régulateur de débit augmente jusqu’à atteindre 30 psig, la soupape du régulateur s’ouvre et admet le gaz pilote qui passe par la soupape de mise à l’air libre du démarreur et va à la soupape du moteur de lancement. La soupape du moteur de lancement s’ouvre, laissant entrer 140 à 150 psig de gaz dans le moteur de lancement. Le gaz pressurisé passe par le système de rotors et de stators du moteur de lancement, et le moteur de lancement commence à tourner. Cette action est identique à celle de l’air pressurisé qui s’écoule dans la turbine de compression. Tandis que le compresseur de turbine est lancé par la moteur de lancement, les électrovalves du circuit carburant s’ouvrent pour pressuriser le régulateur. A 15% de la vitesse, la solénoïde de la soupape de torche, l’excitateur d’allumage, et les bougies d’allumage sont activés. Le carburant s’écoule vers la torche et il est enflammé par la bougie d’allumage en présence d’air de combustion ; la flamme de la torche s’intensifie dans le flux d’air à l’intérieur de la chemise de combustion du moteur. A ce moment-là, du carburant entre dans la chambre de combustion, envoyé par les injecteurs de carburant. Le mélange carburant-air dans les chambres de combustion est cependant trop pauvre pour s’enflammer. Davantage de carburant est envoyé par le régulateur de débit carburant, jusqu’à ce que le mélange carburant-air devienne suffisamment riche pour s’enflammer. Cependant, la détente des gaz dans les chambres de combustion basse pression est encore insuffisante pour assurer le fonctionnement de la turbine. Le moteur de lancement continue donc à faire tourner le compresseur.




Lorsque la turbine atteint 55 à 60% de sa vitesse nominale, la puissance est alors suffisamment élevée pour fournir l’énergie nécessaire à la turbine. A ce moment-là, la soupape du démarreur se ferme, et la soupape de mise à l’air libre du démarreur s’ouvre. Du fait de cette dépressurisation soudaine, la noix de démarreur se rétracte du relais d’accessoires, et le moteur de lancement s’arrête. La turbine tourne maintenant au ralenti en utilisant sa propre énergie.




8. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1 : Principe de fonctionnement des turbines à gaz ...................................................7 Figure 2 : Rôle du compresseur d’air ...................................................................................8 Figure 3 : Rotors de turbine et aubes de stator..................................................................10 Figure 4 : Ecoulement des gaz chauds dans la turbine .....................................................10 Figure 5 : Rotor de turbine à gaz et moitié inférieure du carter de turbine.........................11 Figure 6 : Vue en coupe d’une turbine à gaz à arbre unique type .....................................12 Figure 7 : Entrée d’air ........................................................................................................13 Figure 8 : Système de filtrage d’air offshore ......................................................................14 Figure 9 : Rotor de compresseur axial et ailettes de rotor .................................................15 Figure 10 : Fonctionnement d’un compresseur de turbine.................................................16 Figure 11 : Section combustion .........................................................................................17 Figure 12 : Chambres de combustion dans une turbine à gaz...........................................18 Figure 13 : Mélange de l’air froid et des gaz chauds dans la chambre de combustion......19 Figure 14 : Vue d’une chambre de combustion .................................................................19 Figure 15 : Chambre de combustion unique ......................................................................20 Figure 16 : Chambre de combustion annulaire ..................................................................20 Figure 17 : Vue latérale et vue axiale d’une section combustion annulaire .......................21 Figure 18 : Chambre de combustion annulaire à tubes .....................................................22 Figure 19 : Chambre de combustion multitube ..................................................................23 Figure 20 : Vue latérale et vue axiale d’une chambre de combustion annulaire multitube 23 Figure 21 : Multitubes disposés horizontalement...............................................................24 Figure 22 : Disposition de chambres de combustion .........................................................25 Figure 23 : Conduit de transition........................................................................................26 Figure 24 : Aubes directrices .............................................................................................26 Figure 25 : Tuyères fixes et roues de turbine.....................................................................27 Figure 26 : Fixation des ailettes de turbine à la roue de turbine ........................................28 Figure 27 : Système de refroidissement à ailettes de turbine (ailettes de rotor) ................29 Figure 28 : Mouvements de l’arbre ....................................................................................30 Figure 29 : Vue d’un palier à surface de glissement ..........................................................31 Figure 30 : Palier à surface de glissement.........................................................................32 Figure 31 : Palier de butée.................................................................................................33 Figure 32 : Palier radial à patins oscillants.........................................................................33 Figure 33 : Palier de butée à patins oscillants – vue à l’arrêt.............................................34 Figure 34 : Palier de butée à patins oscillants – vue en rotation........................................34 Figure 35 : Palier de butée à patins oscillants ...................................................................35 Figure 36 : Le joint labyrinthe entoure l’arbre.....................................................................35 Figure 37 : Joints labyrinthes en deux moitiés ...................................................................36 Figure 38 : Différentes configurations de joints labyrinthes ...............................................37 Figure 39 : Distribution de l’huile de graissage ..................................................................44 Figure 40 : Système de refroidissement des ailettes .........................................................48 Figure 41 : Régulateur à masselottes ................................................................................50 Figure 42 : Système de l’actionneur principal de régulation du débit carburant.................51 Figure 43 : Sonde indicatrice de vitesse ............................................................................52 Figure 44 : Réduction de la contre-pression entre étages .................................................55 Figure 45 : Vue extérieure du système d’aubes variables de la section compression .......57




Figure 46 : Composants d’une turbine à arbre unique.......................................................58 Figure 47 : Composants d’une turbine à gaz à arbre en deux sections .............................59 Figure 48 : Moteur double corps ........................................................................................60

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Turbines a Gaz