Chapitre II. Introduction thermodynamique des machines de

Chapitre II. Introduction thermodynamique des machines de compression et de détente
Cours de thermopropulsion II ( Dr HENNI MANSOUR Z) Page 8
Chapitre II : Introduction Thermodynamique des machines de
compression (compresseurs) et de détente (turbines).
II.1 : Introduction.
On s'intéresse dans ce chapitre à l'introduction thermodynamique des
compresseurs axiaux et turbines axiales deux organes principaux qui composent
les turbines à gaz et les moteurs à réaction (turboréacteurs et turbopropulseurs).
Les compresseurs et les turbines peuvent être schématisés suivant les deux
grands modèles de la figure ci-dessous, ou l'on peut noter les grandeurs les plus
significatives.
 Le débit massique  et les vitesses absolues V1 et V2
 Les paramètres d'état du fluide à l'entrée (P1 et T1) et à la sortie (P2 et T2)
 La chaleur Q reçue par le fluide.
 Le travail échangé entre le fluide et l'opérateur de la machine appelé travail
indiqué, travail moteur ou travail interne.
WT >0 : Compression.
WT<0 : Détente.
V1 P1 T1
V1 P1 T1
V2 P2 T2
V2 P2 T2
τ
τm
m
Q
WT
TT
T
WT
T
Opérateur
Opérateur
Q
τ
τm
Figure n° 1 : compresseur à gauche et turbine à droite
τf
τf

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II.2 : Définition - description – Triangles des vitesses.
II.2.1 : Compresseurs Axiaux.
II.2.1.1 : Définition et Description.
Le compresseur est une machine qui
procure de l'énergie cinétique à l'air qui
le traverse et transforme cette énergie
cinétique en pression
Un compresseur axial est formé d’un
ou de plusieurs étages.
L' étage d'un compresseur se compose :
 d’une partie mobile appelée rotor (ou rouet) tournant à la vitesse angulaire
ω et dont le rôle est d'assurer le transfert d’énergie entre l’arbre de la
machine et le fluide en mouvement.
 d'une partie fixe appelée stator (ou redresseur) dont le rôle est d'orienter le
fluide dans une direction compatible avec le prochain étage, transformant
ainsi l'énergie cinétique en pression statique.
Taux de compression ε
Le taux de compression ε pour un seul étage est limité par la vitesse relative W1
entre le rotor et le fluide et la géométrie des aubes.
Figure n°3 : Etage d’un
compresseur axial
Fig n°2 : compresseur axial photo

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Pour un étage (compresseur moteur civil), ε = 1.15 à 1.6 en condition
optimale d’utilisation.
Pour augmenter ces valeurs, on augmente le nombre d’étages et la vitesse de
rotation.
Compresseur axial faible taux de compression par étage ε et débit important
Compresseur centrifuge grand taux de compression par étage ε et débit limité
II.2.1.2 : Triangles des vitesses.
Figure : n°4 Configuration de l'étage de compresseur axial.
Analyse de l’écoulement dans un étage de compresseur axial.
On introduit les sections de contrôle suivantes.
1- Entrée rotor (sortie entrée d’air)
2- Sortie roue (entrée stator)
3- Sortie stator (entrée roue de l’étage suivant)
Entrée de la roue.
Le fluide possède à l’entrée une vitesse absolue V1 qui se décompose dès que le
fluide est entrainé par la rotation de la roue en :
Rotor
Stator
1
2
3

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U1 : vitesse d’entrainement qui est tangente à la circonférence de la roue.
W1 : vitesse relative qui est la vitesse avec laquelle le fluide glisse sur l’aube
et qui est tangente au squelette de l’aube à son entrée.
Les canaux du rotor sont divergents, donc, la vitesse relative W diminue
(W2<W1) et la pression du fluide augmente (P2>P1)
Sortie rotor – entrée stator.
A la sortie de la roue, la particule fluide considérée a une vitesse d’entrainement
U2 = U1 = U (machine axiale) et une vitesse relative W2 tangente au dernier élément
de l’aube. Dès que la particule du fluide est sortie de la roue, ces deux vitesses se
composent pour former la vitesse absolue V2 à la sortie (V2 = U2 + W2).
Les canaux du redresseur (stator) sont divergents. Donc, le fluide est décéléré
( V3<V2) et comprimé (P3>P2). La vitesse absolue V3 constitue la vitesse d’entrée
pour le rotor de l’étage suivant.
On voit que les canaux fixes redressent le flux du fluide par rapport à l’axe de la
machine. grâce à cela, la vitesse diminue et la section du passage augmente.
II.2.2 : Turbines axiales
II.2.2.1 : Rôle .
La turbine transforme l'énergie thermique et cinétique des gaz en énergie
mécanique. La turbine est reliée au compresseur par un axe central. Le principal
rôle de la turbine est donc de faire fonctionner le compresseur. De même que pour
le compresseur la transformation n'est pas parfaitement isentropique et il faudra
tenir compte en général du rendement isentropique de la turbine.
Figure n°5 : Turbine axiale photo

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Un étage de turbine axiale est composé de :
- Une grille d’aubes fixes Stator ou distributeur.
- Une grille d’aubes mobiles Rotor ou Roue.
Le stator ou distributeur, est le carter de turbine. Son rôle est de transformer
une partie de l’énergie de pression délivrée par la chambre de combustion en
énergie cinétique.
Le Rotor ou roue transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique sous
la forme d’un couple moteur afin d’entrainer le compresseur.
II.2.2.2 : Triangles des vitesses.
Analyse de l’écoulement dans un étage de turbine axiale.
On introduit les sections de contrôle suivantes.
1 : Entrée distributeur ou stator (sortie chambre de combustion).
2 : Sortie distributeur ou stator (entrée rotor ou roue).
3 : Sortie rotor (entrée stator de l’étage suivant).
1
2
3
Stator
Rotor
Figure n° 5 Configuration d’un étage de turbine axiale.