Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
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1. Définition d’une turbomachine

Une turbomachine est une machine tournante permettant d’échanger de l’énergie avec un fluide circulant à flux continu. Le fluide concerné peut être un gaz (de l’air par exemple) ou un liquide (de l’eau dans beaucoup d’applications).

On peut classer les turbomachines en deux grandes catégories selon que leur rôle est de récupérer de l’énergie d’un fluide afin d’entraîner mécaniquement une charge, ou de transmettre à un fluide l’énergie mécanique provenant d’un moteur.

A celles de la première catégorie est souvent associé le nom générique de turbine (turbine à gaz, à vapeur, hydraulique...), mais pas uniquement (éolienne, hydrolienne, moulinet...). Leurs grands ancêtres sont les moulins à eau et les moulins à vent.Retour ligne automatique
Quant à celles de la seconde catégorie, leur dénomination est essentiellement associée à leur application (ventilateur, compresseur, booster, pompe...).Retour ligne automatique
Des éléments des deux catégories sont parfois couplés, l’un donnant son énergie à l’autre (turbopompe, turbocompresseur...).

2. Domaines d’application

Les turbomachines sont utilisées dans un grand nombre de domaines d’application. Citons en quelques-uns.

La production d’énergie électrique, locale ou sur le réseau, fait en partie appel à des turbines utilisées isolément : éoliennes pour l’énergie du vent, hydroliennes pour celle des courants marins ou de l’écoulement des rivières, turbines Kaplan dans les usines marée motrices ou fluviales, turbines Francis et Pelton en montagne (eau issue de barrages ou de lacs d’altitude). Mais elle fait aussi appel à des assemblages de compresseurs (ou pompes), de turbines et de sources de chaleur (énergie du charbon, du pétrole ou nucléaire) participant au fonctionnement d’un cycle thermodynamique : ce sont les turbines à gaz et turbines à vapeur.

Dans le transport terrestre, on trouve des ventilateurs pour l’aération des tunnels routiers et la climatisation des véhicules légers. Les turbocompresseurs sont utilisés pour la suralimentation des moteurs. Quant aux véhicules lourds et militaires, ils embarquent parfois des turbines à gaz pour assurer les servitudes.Retour ligne automatique
Dans l’aéronautique, les turbomachines sont présentes dans tous les systèmes de propulsion : hélices et rotors, turbomoteurs pour les entraîner, turbosoufflantes et turboréacteurs pour assurer la propulsion à réaction. Dans l’aérospatiale, ce sont des turbopompes qui alimentent les moteurs cryogéniques.Retour ligne automatique
La pétrochimie utilise des compresseurs pour faciliter l’extraction du pétrole et pour réaliser les opérations de raffinage, des boosters pour en assurer le transport (gazoducs et oléoducs), mais aussi pour réaliser le stockage.

3. Diversité des turbomachines

En fonction des domaines d’utilisation, les tailles et vitesses de rotation des turbomachines peuvent varier considérablement : de quelques millimètres de diamètre et tournant à plusieurs centaines de milliers de tours par minute (pour la turbine entraînant une fraise de dentiste), à quelques mètres de diamètre et tournant à quelques dizaines de tours par minute (pour une turbine Francis utilisant les ressources d’un barrage de montagne).

Quant à leurs formes, on peut les ranger en deux grandes catégories : les machines axiales où la vitesse débitante du fluide traversant la machine reste globalement parallèle à son axe, et les machines centrifuges (ou centripètes ou radiales) où la direction du fluide passe d’une direction parallèle à l’axe à une direction perpendiculaire à l’axe, ou inversement. Mais des géométries plus complexes existent aussi (turbines Pelton se rapprochant d’une roue à godets, éoliennes à axe vertical de type Darrieus...).

4. Constitution - Performances

Une turbomachine est un assemblage de roues successives, chacune étant constituée par un moyeu central sur lequel sont fixées des pales (ou aubes) réparties régulièrement sur toute sa périphérie. Ces pales, de forme incurvée, exercent un effort sur le fluide en déviant sa trajectoire. Si la roue est animée d’un mouvement de rotation (roue mobile), il y a alors transfert d’énergie mécanique entre le fluide et la machine. Ce transfert se traduit, pour le fluide, par des variations de sa pression et de son énergie cinétique.Retour ligne automatique
Afin de réaliser plus facilement ce transfert, en prenant en compte les conditions amont existantes ou aval souhaitées, une roue fixe est associée à la roue mobile (en amont pour une turbine et en aval pour un compresseur) dont le rôle est d’assurer un transfert entre pression et énergie cinétique.

L’ensemble d’une roue mobile et d’une roue fixe est appelé étage. Il peut y avoir plusieurs étages en série si la performance attendue le nécessite.

Les performances d’une turbomachine sont caractérisées par les valeurs du débit la traversant, de la variation de pression enregistrée entre l’amont et l’aval (pression totale, incluant pression statique et énergie cinétique) et de son rendement. On appelle point de fonctionnement nominal, celui pour lequel on a conçu la machine, et correspondant à peu près au meilleur rendement.Retour ligne automatique
Mais il est aussi intéressant de connaître sa plage de fonctionnement, zone dans laquelle il est possible de faire varier son débit et sa vitesse de rotation, sans risque d’instabilité et sans détérioration inacceptable de ses performances.

5. Etudes et recherches

L’étude complète d’une turbomachine nécessite l’interconnexion de plusieurs disciplines scientifiques : mécanique des fluides, mécanique des structures, matériaux, théorie des systèmes... Même en ne se cantonnant qu’à l’aspect mécanique des fluides, le problème est d’une grande complexité.

La géométrie de la machine induit un écoulement globalement tridimensionnel, accentué par l’existence d’écoulements tourbillonnaires locaux mais intenses. D’autre part, la succession d’organes fixes et mobiles induit des écoulements nécessairement instationnaires, du fait de la remontée des ondes de pression des roues aval et de la convection des écoulements issus des roues amont. De plus, la nature visqueuse du fluide (qui se manifeste notamment près des parois) agit à la fois sur le comportement de l’écoulement au passage de la machine et, par ses effets dissipatifs, sur le rendement de la machine. A ceci, on peut ajouter les effets de compressibilité (présence possible d’ondes de choc), ceux de la turbulence sur le comportement moyen de l’écoulement et des éventuelles possibilités de changements de phase (phénomène de cavitation dans les machines hydrauliques , ou de condensation dans les turbines à vapeur).

En l’état actuel des connaissances, la conception aérodynamique de telles machines reste donc complexe. C’est pourquoi la recherche sur le comportement des écoulements dans ce type de machine est toujours d’actualité, le groupe Turbomachines du LMFA en étant un des acteurs majeurs dans le panorama européen.