Générateurs industriels
Le générateur avec turbine à gaz
Electricité

Les turbines à gaz (TAG) sont parfois utilisées à la place des groupes diésel pour la production d'électricité.


Générateur TAG

Les turbines à gaz remplacent parfois les moteurs diésel dans certaines applications, par exemple pour la production d'électricité.

Les turbines à gaz se différencient des turbines à vapeur (basées sur le principe de la machine à vapeur où la vapeur d'eau sous pression produit la rotation de la turbine). La turbine à gaz est en fait un moteur à combustion interne (comme le moteur diésel), mais construit sous forme d'une turbine. Au lieu d'utiliser le terme “turbine à gaz” on aurait mieux fait d'appeller le type de moteur “turbine à combustion”.

Une turbine à gaz n'est pas non plus un turbocompresseur qui est ajouté à un moteur classique et qui récupère l'énergie dans les gaz de combustion pour comprimer les gaz à l'entrée et augmenter le rendement du moteur.

Les turbines à gaz ont été utilisées pour la première fois à grande échelle dans les hélicoptères (et en particulier l'Alouette). Il permet une réduction de poids importante tout en apportant un supplément de puissance. Depuis lors, les hélicoptères sont pratiquement tous équippés de turbines à gaz. Ces turbines ne servent par directement pour la propulsion (comme dans un avion à réaction), mais pour entrainer l'hélice.

La turbine se compose d'un axe moteur A qui entraine un compresseur C. Le carburant G est injecté dans la chambre de combustion Ch et entraine une turbine T. La charge à entrainer M se trouve du coté du compresseur (plus froid). Souvent le carburant est injecté à partir d'un distributeur rotatif monté sur l'axe moteur, ce qui permet un meilleur mélange du carburant avec l'air.

Les réacteurs d'avions se composent en fait d'une turbine à gaz, mais c'est le gaz d'échappement qui produit la poussée. Dans un réacteur d'avion, la turbine est minimale et réduit à peine la vitesse dez gaz d'échappement.

La turbine à gaz utilisée à la place d'un groupe diésel a plusieurs avantages

  • Un poids et une taille inférieur: une turbine pouvant alimenter un groupe électrogène de 250kW pèse environ 350kg (avec tous les accessoires), tandis qu'un moteur diésel de même puissance pèse plus d'une tonne.

  • L'entretien est limité: une turbine moderne n'a pas de refroidissement à huile, elle utilise une forme particulière de roulements à lamelles qui maintiennent l'axe sur un coussin d'air une fois la vitesse de rotation nominale atteinte. Le groupe réducteur doit être graissé, mais l'huile qui n'est pas en contact avec les gaz de combustion peut être utilisée plus longtemps.

  • Prise en charge immédiate: la turbine peut travailler à puissance maximale dès qu'elle a atteint sa vitesse de rotation nominale.

  • Une seule sortie de chaleur: la chaleur exédentaire est éliminée avec les gaz de combustion: il n'y a pas de radiateur d'eau et d'huile, ni de pompes à eau et huile, ce qui limite encore un peu plus le poids et l'encombrement et augmente la fiabilité. De plus on peut utiliser cette chaleur pour par exemple réchauffer de l'eau qui devient vapeur et entraine une turbine à vapeur. On obtient ainsi un rendement de plus de 60%. Dans les navires il ne faut pas prévoir de circuit d'eau de refroidissement.

Mais les turbines à gaz ont également des inconvénients:
  • La turbine tourne très rapidement et nécessite presque toujours un groupe réducteur (boite de vitesse).

  • Le démarrage est laborieux: une turbine tourne à plus de 40.000 tours/minute et ne devient auto-suffisante qu'à partir de 20.000 tours/minute environ. Le lancement de le turbine est assez lent et demande un démarreur plus puissant (25kW pour une "petite" turbine) pouvant travailler plus longtemps sans surchauffe (on utilise souvent des démarreurs à gaz comprimé)

  • Ne fonctionne bien que sur une plage de vitesse limitée: les turbines à gaz sont utilisées là où la vitesse de rotation reste constante: production d'életricité, installations de pompage,... Le rendement chute à faible charge ou quand le régime nominal n'est pas utilisé.

  • Rendement plus faible qu'un diésel de même puissance: les gaz d'échappement ne peuvent pas devenir trop chaud pour éviter la destruction des ailettes de la turbine. Le moteur travaille ainsi en surplus d'air (ce qui réduit la production de composant toxiques mais diminue le rendement du moteur). Ce n'est que grâce à la récupération de l'énergie contenue dans les gaz chauds qu'on obtient un rendement de 60%, autrement le rendement est limité à 30% au mieux.
Une turbine réelle se compose des parties suivantes:
  1. Prise d'air avec filtre à air
  2. Premier étage du compresseur (compresseur axial)
  3. Second étage du compresseur (centrifuge)
  4. Chambre de combustion avec injecteur de démarrage (les injecteurs de carburant en fonctionnement nominal se trouvent sur l'axe rotatif)
  5. Turbines
  6. Sortie d'air brulé
  7. Démarreur électrique (consomme environ 24kW)
  8. Engrenage pour réduire la vitesse d'environ 40.000 tours/minute à 1800 tours/minute.
  9. Axe vers l'alternateur
Le tout fait environ 60cm de long et peut fournir une puissance de 250kW en continu.

On utilise les turbines à gaz quand on peut profiter de ses avantages:

  • Plateformes et installations de forage, pour pomper le pétrole ou l'eau récolté. La petite taille et le faible entretien des turbines joue un rôle primordial.

  • Moteurs d'hélicoptères: le faible poids pour une puissance donnée est important. Les pales de l'hélice tournent toujours à la même vitesse (pour monter ou descendre on modifie le pas de l'hélice) et la puissance demandée est pratiquement toujours constante.

  • Pour les navires à grande vitesse (navires militaires, navires faisant la navette rapide,...): le gain de place et de poids est très important.

  • Pour les groupes électrogènes de secours (hopitaux de campagne, etc). Ces groupes ne nécessitent que peu d'entretien. Pour la production plus constante d'électricité (groupes utilisés pendant les pointes de consommation), il faut récupérer l'énergie des gaz chauds pour atteindre un rendement acceptable.

  • Pour les endroits isolés (installations dans le désert, au pole nord ou sud,...). Ces groupes sont également utilisés dans les régions en voie de développement. C'est ici la simplicité et la fiabilité qui sont importants. Les groupes sont préfabriqués et la mise en fonctionnement est minimale (il ne faut pas ajouter d'huile ni d'eau de refroidissement). Ces groupes fonctionnenent en permanence pendant plusieurs années (sans entretien) et sont ensuite remplacés.
On a également utilisé des turbines à gaz dans certains trains haute vitesse avant l'électrification totale du réseau. Les turbinas à gaz sont également utilisées dans les chasseurs de mine à cause des faibles vibrations que le groupe produit et de sa petite taille. Un diésel vibre trop et ferait détonner les mines.

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