P9005 TURBINE A GAZ

DE DEUX ARBRES

CARACTERISTQUES ♦ Appareil didactique autonome complet

♦ Conçu pour un fonctionnement facile et sûr avec peu de nuisances sonores

♦ Option d’acquisition de données disponible pour toutes les variables mesurées

♦ Systèmes de contrôle et instrumentation complets affichés sur le tableau synoptique

CONTENU DIDACTIQUE Permet de réaliser une large gamme d’expériences de turbine à gaz parmi lesquelles: ♦ Rendement d’une turbine à axe unique simulée

♦ Rendement d’une turbine à axe unique avec charge d’injecteur simulée ( avec option d’injecteur de propulsion disponible sur commande)

♦ Rendement d’une turbine à deux axes

♦ Caractéristiques des composants individuels

- compresseur générateur de gaz

- caractéristiques d’une chambre de combustion

- caractéristiques d’une turbine de travail

INTRODUCTION Les turbines à gaz sont de plus en plus utilisées comme centrales énergétiques pour des applications très diverses dans le monde entier. Elles n’avaient à l’origine été conçues que pour la propulsion d’aéronefs où leur faible masse volumique inhérente (soit masse/volume) les a rendu essentielles pour les vols à grande vitesse. Pour cela, elles ont été développées à un haut niveau de rendement tant thermodynamique que mécanique. Du en partie à l’essor du domaine de l’aviation et également à d’autres avantages opérationnels notables, les turbines à gaz industrielles ont été et continuent d’être développées pour des applications aussi diverses que des centrales électriques, des pompes anti-incendie, des unités de pompage et de compression de gaz naturel, des centrales industrielles énergétiques et de procédés thermique, propulsion de poids lourds, propulsion de trains et de bateaux.

Cussons conçoit et fabrique des turbines à gaz didactiques depuis les années 1970 et la version la plus récente comprend de nombreuses améliorations. La turbine à gaz P9005 de Cussons est maintenant une machine à deux axes avec un dispositif de démarrage intégré, un système d’absorption de l’énergie et une option d’acquisition des données (P9008). L’appareil permet de réaliser un programme varié d’expériences de la technologie des turbine à gaz en n’utilisant que l’instrumentation fournie. Les caractéristiques particulières de la turbine à gaz à deux axes sont sa polyvalence, sa facilité d’utilisation, la sécurité et peu de nuisances sonores. Toute l’instrumentation et les systèmes de contrôle sont placés sur le tableau synoptique, avec une indication claire de toutes les mesures représentées par des symboles et des voyants lumineux. La mesure du couple de la turbine de travail est effectuée par un dynamomètre électrique calibré. CONCEPTION GENERALE La turbine à gaz à deux axes emploie un compresseur centrifuge et une turbine radiale, montée dos à dos sur un axe commun qui, associé à une chambre de combustion à gaz (propane ou butane), forme le générateur de gaz. Les gaz produits par le générateur de gaz sont dirigés vers la turbine de travail, turbine radiale de plus grande taille. La turbine de travail entraine un système dynamométrique destiné à absorber la puissance de sortie et à mesurer le couple de la turbine. Le démarrage s’effectue au moyen d’un compresseur auxiliaire qui souffle l’air dans l’orifice d’admission du compresseur jusqu’au moment où la vitesse est suffisante. Le système de lubrification du groupe turbocompresseur et de la turbine de travail comprend une pompe électrique, un filtre, un radiateur d’huile et un réservoir. Le refroidissement de l’huile est contrôlé automatiquement. Le P9005 est maintenant tropicalisé et approprié pour une utilisation dans des conditions de température ambiante de plus de 40°C et jusqu’à 80% d’humidité relative. TABLEAU SYNOPTIQUE Le tableau synoptique (Fig. 1) est reproduit en couleur sur le panneau d’instrumentation de l’appareil.

TECHNOLOGY cussons

ASSEMBLAGE L’appareil est installé sur un châssis robuste en acier monté sur roulettes, comportant un panneau d’instrumentation en mélamine stratifiée et des panneaux plaqués en acier. Les dimensions totales permettent à l’appareil de passer par n’importe quelle porte de taille standard et une attention particulière a été portée aux besoins d’installation facile, de faible niveau sonore, de praticité à utiliser et de sécurité. INSTRUMENTATION L’instrumentation, placée sur le panneau avant, est fournie pour la mesure des températures et des pressions tout au long du cycle, pour la mesure des débits d’air et de combustible, des vitesses de rotation de l’ensemble turbine-compresseur et de la turbine de puissance ainsi que du couple de sortie. Les mesures de température sont réalisées par des thermocouples NiCr/NiAl fournissant sept mesures de température. Les mesures de pression sont effectuées par un manomètre dans le cas de pressions différentielles mais par des jauges de type Bourdon pour les autres; le débit d’air est mesuré par une antenne Pitot, le flux de combustible par un débitmètre à section variable, les vitesses rotationnelles par un tachymètre électronique et la puissance de sortie par un appareil de mesure de la puissance électrique. L’instrumentation a été placée dans un ordre logique afin de faciliter la lecture. P9008 Transducteur et adaptateur de signal pour le module d’acquisition de données P9005 Le but de cet accessoire optionnel monté en usine est de fournir des signaux numériques conditionnés de 0-10 V CC pour les mesures suivantes:

Températures (7) - T1 entrée d’air - T2 sortie du compresseur - T3 sortie chambre combustion - T4 puissance d’entrée turbine - T5 puissance de sortie turbine - Tg combustible - To huile Pressions (5) - Po huile - Pg combustible - P3 entrée du générateur de gaz - P4 puissance d’entrée turbine

- Pcc perte de pression chambre combustion Débits (2) - Air - Combustible Vitesses (2) - Générateur gaz - Puissance de la turbine Courant alternatif Voltage alternatif

Le module P9008 d’adaptation du signal pour le module d’acquisition de données comprend une alimentation électrique CC supplémentaire (0 V, 5 V, 15 V et +24 V), 4 transducteurs de pression, 3 transducteurs de pression différentielle, un orifice pour le combustible, des modules de voltage rms et de mesure du courant et un circuit imprimé supplémentaire ainsi que tout le câblage, la tuyauterie et les connexions nécessaires. Toutes les données, amplifiées à 0-10 V CC, sont connectées à des douilles de type D. Ces signaux peuvent alors être exportés vers un ordinateur ou un système d’acquisition de données. N.B. Ni l’ordinateur ni le système d’acquisition de données ne sont inclus dans ce module mais des détails sont disponibles sur demande. Lorsque la turbine à gaz à deux axes P9005 est fournie avec le transducteur et adaptateur de signal P9008, l’instrumentation originale est toujours fournie et les signaux pour l’acquisition de données sont multiplexés. Ceci offre l’opportunité aux étudiants de continuer à obtenir des relevés manuellement en plus du module d’interface d’acquisition de données automatique. SYSTEME DE COMBUSTIBLE En climats tempérés, il convient d’utiliser du propane et en climats tropicaux du butane, ou un mélange des deux fourni en bouteilles. L’utilisation de gaz en bouteille est particulièrement recommandée et sûre car elle évite l’accumulation de combustible en cas de non-allumage. La combustion se stabilise très rapidement. Du fait de la faible pression nécessaire pour injecter le combustible, toute survitesse provoque une chute de débit du combustible, ce qui fournit une certaine régulation du fonctionnement.

FIG. 1 TABLEAU SYNOPTIQUE

ENSEMBLE COMPRESSEUR/TURBINE Le compresseur est en alliage léger et fonctionne pour un taux de compression d’environ 2:1. La chambre de combustion, de rendement élevé, permet un fonctionnement stabilisé pour une grande possibilité de débits, avec une répartition homogène des températures. La turbine génératrice de gaz fonctionne à une vitesse allant de 600 à 1400 tr/s, en fonction de l’alimentation. La turbine de travail tourne à une vitesse de 170 à 590 tr/s et fournit une puissance maximale d’environ 4 kW. SECURITE Une attention particulière a été portée aux conditions de sécurité lors du fonctionnement de la machine. Elle est protégée contre la surchauffe, la chute de pression d’huile ou une panne d’alimentation. Une électrovanne coupe l’arrivée du combustible en cas de dysfonctionnement et

elle doit être réenclenchée avant la remise en marche de la machine. La vitesse du turbocompresseur est limitée par l’alimentation en combustible et une vitesse excessive de la turbine de travail provoque une élévation de température qui actionne le dispositif de sécurité contre les surchauffes. Les principaux composants sont protégés par un panneau avant en acier et un panneau transparent en polycarbonate est disponible en option. NOTICE DE FONCTIONNEMENT ET PROGRAMME D’EXPERIENCES Chaque machine est livrée avec toutes les instructions de fonctionnement. Une série d’expériences est décrite dans une publication de Cussons intitulée “Initiation à la technologie des turbines à gaz” par T.H. Frost. La figure 3 présente quelques exemples de courbes réalisables.

FIG. 2 VUE AVANT DE LA TURBINE A GAZ

A - Silencieux d’admission d’air B - Compresseur C - Chambre de combustion D - Turbine du générateur gaz E - Turbine de travail F - Silencieux d’échappement

G - Compresseur d’air démarrage H - Dynamomètre I - Réservoir d’huile J - Pompe à huile K - Radiateur d’huile L - Alimentation électrique

A

B

C

D

H G

F

E

I J

K

L

L’entreprise se réserve le droit de modifier certains détails techniques sans notification, en raison de sa politique de développement constant.

102 Great Clowes Street, Manchester M7 1RH, England Tel. +(44)161 833 0036 Fax. +(44)161 834 4688 E-mail: sales@cussons.co.uk Web: www.cussons.co.uk Cussons Technology Ltd.

Issue 2

P9005 TURBINE A GAZ A DEUX ARBRES SPECIFICATION Turbine à gaz à deux arbres montée sur un support amovible autonome comprenant un turbocompresseur radial, une chambre de combustion pour fonctionnement au propane, propane-butane, une turbine de travail, un alternateur étalonné pour mesurer le couple et la puissance, un système d’allumage, un système de lubrification avec réservoir, une pompe de circulation, un radiateur et un filtre, un panneau avant avec tableau synoptique en couleur, un débitmètre d’air, un débitmètre de combustible, deux compte-tours, un pyromètre multipoints, deux tachymètres, un thermistor, un thermocouple, un manomètre, un capteur de pression de gaz, un capteur de pression d’huile, un compresseur de démarrage par air et des systèmes de contrôle. Les bouteilles de gaz et les tuyaux de raccordement ne sont pas compris. Fourni tropicalisé pour utilisation dans des conditions de température ambiante de 40°C et une humidité relative de 80%. Services nécessaires: Alimentation électrique: 220/240 volt 50 Hz monophasée. Autres voltages et fréquences sur commande spécifique Alimentation combustible: Propane/butane (C3H8) en bouteilles standards (bouteilles de 45 kg recommandées). Consommation pour charge maximum 7 kg/h. Alimentation eau: nécessaire pour refroidir le circuit d’huile avec tuyau flexible de 9 mm d’alésage et débit minimum de 10 litre/mn Précaution vidange: vidange non toxique et propre mais canalisations nécessaires pour extension P9007 TURBOCOMPRESSEUR SECTIONNE SPECIFICATION Turbocompresseur semblable aux générateurs du P9005, sectionné pour en montrer le fonctionnement. Le turbocompresseur est monté sur un socle. P9008 OPTION ACQUISITION DE DONNEES COMPRENANT UN ADAPTATEUR DE SIGNAL, UN PC ET UN LOGICIEL SPECIFICATION Module optionnel monté en usine pour fournir au P9005 des signaux pour 15 variables mesurées; comprend une alimentation électrique CC supplémentaire (0 V, 5 V, 15 V et +24 V), 4 transducteurs de pression, 3 transducteurs de pression différentielle, un orifice pour le combustible, des modules de voltage rms et de mesure du courant et un circuit imprimé supplémentaire ainsi que tout le câblage, la tuyauterie et les connexions nécessaires.

DIMENSIONS ET POIDS

Poids net Longueur Largeur Hauteur

kg lb m in m in m in

P9005 350 770 1.37 54 0.86 34 1.60 63

P9007 5.5 12 0.30 12 0.30 12 0.25 10

P9008 Compris dans le P9005

FIG. 3 RESULTATS DES TESTS DU P9005

PRES

SIO

N S

OR

TIE

CO

MPR

ESSE

UR

ba

r

1

0.5

0

150

100

50

DEB

IT A

IR

MA

SSIQ

UE

g/s

FLU

X D

E C

OM

BU

STIB

LE 2.5

2

1.5

1

PUIS

SAN

CE

UTI

LE

kW

5

4

3

2

1

0

2

1.5

1

1

0.5

0

CO

NSO

MM

ATI

ON

CO

MB

UST

IBLE

g

/kW

CO

UPL

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m

TEM

PER

ATU

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EN

TRÉE

TU

RB

INE

ºC

750

700

650

600 800 1000 1200 1400

VITESSE TURBINE tr/s