vignette|Une turbine à combustion de General Electric (en images de synthèse).
Une turbine à gaz, turbine à combustionLe gaz en question n'est pas le combustible, mais le fluide de travail, produit par la combustion ; le combustible peut être un gaz ou tout autre produit inflammable, liquide, voire solide., turbine à gaz de combustion ou turbomoteur dans le cas des aéronefs est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne.
Une telle turbine sert à produire du travail, par l’entraînement en rotation d'un arbre couplé à une machine industrielle, un générateur électrique, ou à une hélice (hélicoptère ou propfan, par exemple), ou directement de la poussée, par détente des gaz en sortie de turbine dans une tuyère, comme dans un turboréacteur. Les deux principes peuvent être regroupés, notamment dans un turbopropulseur.
Fonctionnement Une turbine à combustion est un moteur ditherme qui utilise, comme source froide, l'atmosphère, et comme source chaude, la combustion d'un combustible et d'un comburant. Comme la plupart des , qu'ils soient terrestres, marins ou aériens, le comburant est généralement le dioxygène de l'air ambiant, cependant dans certains cas (astronautique notamment), un autre comburant peut être utilisé en complément voire en remplacement de l'air. Le combustible peut être tout produit inflammable (gazeux, liquide, voire solide). La turbine à combustion fait subir au gaz des transformations suivant trois phases successives : Compression de l'air, élevant sa pression et sa températurePression, volume et température sont liés par l'équation d'état du gaz, voir PV=nRT. ; Combustion d'une quantité idoine de carburant (et de comburant, le cas échéant), afin de monter la température des gaz à la valeur voulue (la plus élevée possible, dans les limites permises par les composants du moteur, pour le meilleur rendement). La quantité d'air qui traverse la machine est généralement assez grande pour obtenir une combustion complète. Le flux étant continu, cette combustion est à pression constante.. Détente des gaz dans la turbine.
L'énergie mécanique récupérée sur l'arbre de la turbine sert en partie à entraîner le compresseur. L'autre partie est l'énergie mécanique utile.. L'énergie des gaz chauds en sortie de turbine est souvent utilisée pour fournir de la poussée à un engin à réaction et le propulser (en général un aéronef, exceptionnellement un véhicule au sol). Dans une centrale électrique la turbine entraîne principalement un générateur.
Terminologie La dénomination française « turbine à gaz » peut prêter à confusion : il est possible de croire que cela fait référence à la nature du combustible, qui est effectivement dans certains cas un combustible gazeux (gaz naturel, butane, propane, gaz de cokerie). En fait le « gaz » en question est le fluide de travail, résultat de la combustion du mélange carburant-comburantLe mélange d'air et de combustible liquide pulvérisé mais non vaporisé dans la chambre de combustion est, à proprement parler, un aérosol., par opposition aux turbines à vapeur, dans lesquelles le fluide moteur est de la vapeur d'eau qui se condense en liquide. Les appellations turbine à combustion (abrégée TAC). et turbine à gaz de combustion. permettent d'éviter cette ambiguïté.
Ce type de machine peut utiliser tout type de combustible, gazeux comme on l'a vu, mais également liquide, depuis les plus volatils (naphta, alcool, en passant par le kérosène ou le fioul domestique), jusqu'aux combustibles plus visqueux (fiouls lourds ou résiduels et même pétrole brut), ou même solide pulvérisé.
Le turboréacteur est constitué d'une turbine à combustion particulière qui utilise le principe de la réaction pour propulser des aéronefs (et plus rarement des engins terrestres ou marins). Dans un turboréacteur simple, la turbine entraîne seulement le compresseur, et c'est la grande vitesse des gaz issus de la tuyère qui produit la poussée, mais au prix d'une perte sensible et évitable due à une vitesse trop élevée des gaz de sortie. Le rendement est amélioré en laissant le moins d'énergie possible aux gaz de sortie et en conférant cette énergie à une masse la plus grande possible d'air par une hélice ou une soufflante (turbopropulseur, turboréacteur à double flux)Physiquement, la poussée est proportionnelle à la masse et à la vitesse des gaz propulsifs, alors que leur énergie est liée au carré de cette vitesse. Donc pour une même énergie, en divisant par deux la vitesse de sortie et multipliant par quatre la masse concernée, on obtient deux fois plus de poussée, principe exploité par les turboréacteurs à double flux..
Principe de fonctionnement vignette|redresse|Schéma de fonctionnement d'une turbine à combustion d'un hélicoptère ou d'un turbopropulseur. La turbine à combustion est un réalisant les différentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession d’organes traversés par un fluide moteur gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale par rapport aux moteurs à pistons, qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (généralement un cylindre).
Dans sa forme la plus simple, la turbine à combustion fonctionne selon le cycle dit de Joule (ou de Brayton) comprenant successivement et schématiquement : une compression adiabatique, qui consomme de l’énergie mécanique ; un chauffage isobare, comme pour un moteur Diesel ; une détente adiabatique jusqu'à la pression ambiante, qui produit de l’énergie mécanique ; un refroidissement isobare.
Le rendement est le rapport du travail utile (travail de détente moins travail de compression) à la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement théorique croit avec le taux de compression et la température de combustion. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n’est pas écourtée, et si la veine d'échappement est bien conçue, elle permet de récupérer une partie non négligeable de l'énergie cinétique des gaz chauds sortant des aubages de turbine.
La turbine à gaz est le plus souvent à cycle ouvert et à combustion interne. Dans ce cas, la phase de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange à l’atmosphère. La turbine à combustion peut également être à cycle fermé et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des échangeurs de chaleur. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente de l’ambiante.
Le cycle de base décrit plus haut peut être amélioré par différents organes complémentaires : récupération de chaleur à l’échappement : les gaz très chauds détendus en sortie de turbine traversent un échangeur de chaleur pour préchauffer l’air comprimé avant son admission dans la chambre de combustion ; ils peuvent également servir de source chaude pour un autre moteur, selon le principe du cycle combiné et de certains systèmes de récupération de chaleur à l'échappement ; compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air (« Intercooler »). La puissance nécessaire à la compression s’en trouve réduite au bénéfice du rendement ; combustion étagée : la détente comprend deux étages (ou plus) séparés par un ou des réchauffages additionnels. La puissance fournie est accrue d’où amélioration du rendement. Les deux dernières dispositions visent à tendre vers des transformations isothermes plutôt qu'adiabatiques et se justifient surtout sur les machines à taux de compression élevé. Les trois dispositifs peuvent être présents indépendamment ou simultanément. Dans ce cas, on retrouve le cycle d'Ericsson qui, comme le cycle de Stirling, présente un rendement théorique égal au rendement maximal du cycle de Carnot. Cette supériorité théorique par rapport aux cycles Otto et Diesel est cependant contrebalancée par l’impossibilité pratique de réaliser les transformations isothermes. Dans tous les cas, ces dispositifs ajoutent de l’encombrement et du poids et se trouvent plus couramment sur des installations stationnaires, éventuellement sur des navires ( ).
Principes vignette|redresse=1.4|Coupe longitudinale d'une turbine à combustion : principaux organes (voir description).
Se reporter à l'image ci-contre : le compresseur (« C »), constitué d'un ensemble d'ailettes fixes (stator) et mobiles (), comprime l'air extérieur (« E »), simplement filtré, jusqu'à 10 à , voire pour certains modèles. D'autres types de machines utilisent un compresseur centrifuge et non axial ; du combustible (« G ») (gazeux ou liquide pulvérisé), est injecté dans la (les) chambre(s) de combustion (« Ch ») où il se mélange à l'air comprimé pour entretenir une combustion continue ; les gaz chauds se détendent en traversant la turbine (« T »), où l'énergie thermique et cinétique des gaz chauds sont transformées en énergie mécanique. La turbine est constituée d'une ou plusieurs roues également munies d'ailettes précédées d'aubages fixes (directrices). Les gaz de combustion s'échappent par la cheminée (Ec) à travers un diffuseur ; le mouvement de rotation de la turbine est communiqué à l'arbre (« A »), qui actionne d'une part le compresseur, d'autre part une charge qui n'est autre qu'un appareil (machine) récepteur(ice) (pompe, alternateur, compresseur, hélice, [...]) accouplé à son extrémité.
Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (« M ») qui joue le rôle de démarreur ; dans certaines configurations, c'est l'alternateur du groupe lui-même qui est utilisé en moteur pendant la phase de lancement.
Le réglage de la puissance est possible en agissant sur le débit de l'air en entrée et sur l'injection du carburant. Le réglage de la vitesse de rotation n'est possible que si l'organe entraîné le permet. En effet, dans le cas d'un alternateur connecté à un réseau électrique à fréquence fixe (par exemple 50 ou ), cette fréquence impose une vitesse également fixe : le débit de carburant est alors ajusté par le système de régulation pour produire l’énergie réclamée par le réseau électrique.
Dans certaines machines modernes, en particulier « », la charge est entraînée par l'arbre côté compresseur, ce qui permet de placer un diffuseur très efficace en ligne à la sortie des gaz chauds avant de les envoyer à la cheminée ou à la chaudière de récupération. Cela permet également de diminuer fortement les problèmes d'alignement relatif de la turbine et de la charge entre l'état froid et l'état chaud du groupe.
Pour fonctionner, l'ensemble compresseur-turbine décrit ci-dessus a besoin de composants auxiliaires, tels que les systèmes de lancement et l'antigivrage, les pompes à huile de lubrification, les pompes à huile haute pression de régulation, les pompes de soulèvement des paliers et les pompes de virage, le réducteur des auxiliaires, le compresseur d'air d'atomisation, les pompes d'eau de refroidissement, les réfrigérants d'huile et d'air d'atomisation, les pompes à combustible liquide, les vannes de régulation de combustible (liquide et/ou gazeux), les aéroréfrigérants, [...] Selon les types de machines, certains de ces composants sont entraînés soit mécaniquement par le réducteur des auxiliaires, soit par moteurs électriques.
Rendement