Modèle de performance système du cycle thermodynamique récupéré opérant avec une turbine en céramique renversée

Abstract

La production d'énergie décentralisée peut réduire à la fois les émissions, le coût énergétique, les pertes de transmission et de distribution associés aux grandes centrales énergétiques. Les microturbines, turbines à gaz inférieures à 1 MW, peuvent se développer dans le marché de la décentralisation à condition d'augmenter significativement leur efficacité. L’approche poursuivie est l’augmentation de la température de combustion de 1200 à 1600K dans un cycle récupéré. Le refroidissement de pales métalliques pour des microturbines récupérées nécessiterait une grande quantité d’air et réduirait l’efficacité. Le passage vers des matériaux réfractaires comme la céramique est nécessaire. Pour augmenter la fiabilité des turbines en céramique, les pales sont maintenues en compression par une jante en polymère renforcé de fibres de carbone dans un rotor renversé. La protection thermique du plastique est assurée par l'action combinée d'ailettes de refroidissement placées entre les pales et la jante et par un flux d'air froid purgé du compresseur vers les ailettes. L'étude présentée ici prédit les performances de cycle pour les turbines en céramique renversées. Un modèle numérique est construit à partir du cycle de Brayton dans lequel le bilan thermodynamique pour la turbine inclut les pertes énergétiques associées au concept. Les pertes modélisées sont les pertes de chaleur dans la turbine, la friction aérodynamique du rotor, les fuites d’air et de gaz, le pompage d’air de refroidissement. Les résultats montrent que l'efficacité du moteur peut atteindre 45% (avec un écart type de 1%), ce qui représente près de 8 points de gain sur les efficacités des microturbines commerciales (tous cycles thermodynamiques confondus). Les pertes associées au concept de turbine renversée ne dépassent pas 15 kW pour un moteur de 240 kW. Le débit d'air pour maintenir la jante à 600 K ne dépasse pas 6% de l'écoulement principal et la jante est soumise à 75% de la tension maximale tolérable par la fibre. Une turbine renversée est donc un concept qui offre le potentiel de révolutionner la production d'énergie distribuée en permettant d'égaler l'efficacité des génératrices Diesel