Turbines à gaz — Cycle de Brayton et cycle combiné

0. Ce que cet article explique

• Le fonctionnement continu du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, et les facteurs déterminant le rendement du cycle de Brayton.

• Les différences entre les versions aéronautiques, industrielles et de production d'énergie, notamment les GE Vernova 9HA, Siemens SGT-800 et Mitsubishi M701J/JAC.

• Pourquoi un générateur de vapeur à récupération de chaleur crée un cycle combiné gaz-vapeur (CCGV), et comment la transition vers un nouveau combustible et les contraintes d'exploitation influencent la conception.

1. En bref : qu'est-ce qu'une turbine à gaz ?

Une turbine à gaz comprime l'air, brûle le combustible en continu et détend le gaz chaud et sous pression à travers les étages de la turbine pour produire de la puissance à l'arbre. Une partie de cette puissance entraîne le compresseur ; le reste actionne un générateur ou un ventilateur. L'absence de pistons alternatifs et de vilebrequin permet une rotation continue et une densité de puissance élevée.

2. Pourquoi la combustion continue ?

Un moteur à pistons répète les cycles d'admission, de compression, de combustion et d'échappement dans chaque cylindre. Une turbine à gaz augmente continuellement la pression d'admission, injecte du carburant dans une chambre de combustion et maintient une flamme stable. Idéalement, une température de combustion plus élevée accroît la puissance et le rendement, mais la température des aubes, les besoins en air de refroidissement et les émissions de NOx en constituent les limites.

Un avion convertit l'énergie cinétique résiduelle des gaz d'échappement en poussée grâce à une tuyère. Une centrale électrique tente de récupérer cette énergie par l'intermédiaire d'étages de turbine supplémentaires et d'un générateur. Le principe de base peut être similaire ; l'extraction finale d'énergie est différente.

3. Entrées et sorties : le cycle de Brayton

Le cycle de Brayton idéal comprend une compression (1→2), un apport de chaleur à pression constante (2→3), une détente (3→4) et un rejet de chaleur (4→1). Avec un rapport de pression r_p=p_2/p_1 et un rapport de capacité thermique \gamma, le rendement thermique idéal en cycle simple est :

Les pertes de charge réelles dans la chambre de combustion, l’extraction d’air de refroidissement, les frottements et les pertes à l’échappement font de cette relation une limite supérieure. La puissance nette à l’arbre peut être estimée comme suit :

Ici, \dot m représente le débit massique d’air, h l’enthalpie spécifique, \eta_t,\eta_c les rendements de la turbine et du compresseur, et P_{aux} la puissance auxiliaire.

Figure 1 — Le compresseur consomme d'abord la puissance de la turbine ; la puissance du générateur ou du ventilateur correspond au reste.

4. Matériel principal et matériaux

Le compresseur utilise plusieurs étages axiaux : des aubes rotatives augmentent la vitesse et des stators la convertissent en pression. Les chambres de combustion peuvent utiliser des flammes prémélangées pauvres ou des flammes de diffusion, disposées en forme de boîte ou d'anneau ; elles doivent stabiliser la flamme tout en limitant les points chauds. Les aubes de turbine haute pression sont dotées de passages de refroidissement internes et de revêtements de barrière thermique. Un jeu en bout d'aube réduit les fuites, mais augmente le risque de contact lors de la dilatation thermique.

Figure 2 — Le cycle combiné gaz-vapeur (CCGV) utilise un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) pour produire de la vapeur à partir des gaz d'échappement d'une turbine à gaz et extraire une seconde étape de travail sans ajout de combustible.

5. Produits et applications

Les performances de la centrale dépendent des conditions ISO, de la composition du combustible, de la température de l'eau de refroidissement et de la puissance auxiliaire. Ne comparez pas les performances maximales indiquées dans le catalogue avec les performances moyennes en service d'une autre machine. La fiche technique de GE est utile car elle distingue les puissances en cycle simple et en cycle combiné.

6. Fonctionnement et contrôle

Le démarrage utilise un démarreur pour faire tourner l'arbre, purger, allumer, ajouter du combustible, synchroniser et charger le générateur. L'augmentation brutale du combustible est impossible car elle entraînerait une hausse soudaine de la température de combustion et des contraintes thermiques ; le taux d'accélération et l'écart de température des gaz d'échappement sont limités. Le suivi de charge coordonne les aubes directrices d'entrée, le débit de combustible, l'air de purge et le bypass côté vapeur. Dans un cycle combiné, la turbine à gaz réagit rapidement tandis que le système de vapeur possède une inertie thermique ; une seule boucle PID ne peut donc pas contrôler les deux échelles de temps.

7. Cycle simple versus cycle combiné gaz-vapeur (CCGV)

8. Limites et questions de recherche

L'air ambiant chaud étant moins dense, le débit massique et la puissance de sortie sont réduits à vitesse égale. Le refroidissement de l'air à l'admission permet de rétablir la puissance, mais consomme de l'énergie frigorifique et de l'eau. À charge partielle, la marge de pompage du compresseur, la stabilité de la flamme, les NOx et la température des gaz d'échappement interagissent. Les démarrages rapides, qui compensent la variabilité des énergies renouvelables, augmentent les cycles thermiques et les coûts de maintenance.

La recherche et les produits portent sur les revêtements à barrière thermique et les pales monocristallines, le refroidissement variable, la combustion pauvre, la prédiction de la durée de vie par jumeau numérique, la co-combustion hydrogène/ammoniac et la capture du CO2. GE Vernova décrit le 9HA comme compatible avec 50 % d'hydrogène, avec une possibilité d'atteindre 100 %, tandis que Mitsubishi décrit la technologie de combustion d'hydrogène pour la famille JAC. Le pouvoir calorifique du combustible, le retour de flamme, les NOx, les matériaux de tuyauterie et les distances de sécurité nécessitent encore une validation à l'échelle de l'installation.

9. Choix pratiques

• Demande fluctuante : choisir une unité à cycle simple ou à démarrage rapide et prendre en compte le nombre de démarrages et les coûts de maintenance liés aux contraintes thermiques.

• Production d'électricité à haut rendement : opter pour une centrale à cycle combiné gaz-vapeur (CCGV), en incluant l'eau, le condenseur, la turbine à vapeur et le calendrier de construction.

• Cogénération industrielle : choisir une machine à vapeur comme la SGT-800 et optimiser la production saisonnière de chaleur et d'électricité.

• Propulsion aéronautique : arbitrer entre le diamètre du ventilateur, le taux de dilution, la masse, le bruit et la vitesse de vol ; le rendement de production seul ne suffit pas.

La transition énergétique doit préciser la modification de la chambre de combustion, la pression d'alimentation, le stockage, la détection des fuites, le post-traitement des NOx et l'arrêt d'urgence, et non se limiter à un nouveau nom de carburant.

10. Récapitulatif en trois points

Une turbine à gaz est une machine à cycle de Brayton qui comprime, brûle et détend continuellement un gaz.

Les aéronefs utilisent l'énergie de détente pour produire de la poussée ; les centrales électriques la dirigent vers un arbre et récupèrent la chaleur des gaz d'échappement, la CCGV ajoutant une turbine à vapeur. Les matériaux, le comportement à charge partielle, les cycles thermiques et la transition de combustible déterminent si le rendement annoncé correspond aux performances réelles.

Références

• Spécifications GE Vernova 9HA

• Fiche technique des centrales électriques GE Vernova 9HA

• Siemens Energy SGT-800

• Mitsubishi Heavy Industries M701J/JAC

• ASME : Production d'électricité par turbine à gaz