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1I08bis PRODUCTION D'ENERGIE 2 - IND

En pratique

  • Cette unité d'enseignement (UE) articule 1 activité d'apprentissage :
    • TURBOMACHINES A FLUIDE COMPRESSIBLE
  • En 2023-2024, elle s'organise au deuxième quadrimestre et couvre 2 crédits (ECTS).
  • L'enseignement est principalement centralisé dans le campus : Gramme , Gramme
  • Cette UE est remédiable d'une session à l'autre
  • Modalités d'enseignement
    • Auditoire

Activité d’apprentissage

Les finalités de l'UE

Cette Unité d'Enseignement (UE) à AA unique vise à expliquer - à la fois sous l'angle théorique et pratique - le mode de fonctionnement des turbomachines à fluide compressible (compresseurs et turbines à gaz) ainsi que leur utilisation en relation avec leur environnement.

L'enseignement visé dans cette Unité se situe donc dans la continuité de celui de la Mécanique des fluides, de la Thermodynamique (UE B215), et des Turbomachines à fluide incompressible (UE 1I08). 

Les contenus de l'UE

En toute généralité, une turbomachine est une machine tournante destinée à organiser un échange d'énergie entre un fluide et un système mécanique, dans laquelle le fluide subit une évolution spatiale au sein d'un système ouvert, et où l'échange d'énergie s'organise au travers d'une partie fixe (stator) et d'une partie mobile (rotor) munie d'aubes.

Dans le cadre de ce cours, le fluide de travail considéré présentera une masse volumique non constante (fluide dit compressible, tel que l'air ou des gaz brûlés). Nous aborderons ainsi : 

  • les machines réceptrices (qui reçoivent du travail) telles que les compresseurs ;
  • les machines motrices (qui fournissent du travail) telles que les turbines.

Après un rapide historique des turbines à vapeur et à gaz, nous aborderons l'étude générale des écoulements compressibles au travers de la thermoydnamique des systèmes ouverts, de la dynamique des écoulements, du principe de fonctionnement des turbomachines et des lois de la similitude appliquées aux turbomachines à fluide compressible. A l'aide du modèle de la grille d'aubes, les aspects énergétiques du fonctionnement des turbomachines axiales (compresseur et turbine) seront ensuite étudiés de façon détaillée. En s'appuyant sur les équations régissant les écoulement au sein de ces turbomachines, ainsi que sur la notion de triangle de vitesse, nous aborderons en autres l'écoulement dans la grille rotorique et statorique, l'échange de travail entre les aubes et l'arbre de la machine, les différents types de rendement, le diagramme de Mollier de l'ensemble rotor-stator. Dans le cadre d'un aperçu de la modélisation des écoulements internes en turbomachines, une attention particulière sera portée sur la théorie de l'équilibre radial et ses applications.

Ces contenus théoriques seront enrichis par la résolution analytique d'exercices appliqués à des cas pratiques. En outre, une initiation au logiciel GasTurb sera assurée. Ce logiciel, en modélisant et simulant les performances de générateurs de puissance, permettra d'approfondir l'intégration des turbomachines à fluide compressible dans le domaine aéronautique et dans le cadre de la production électrique.

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

A l'issue de cette UE, l'étudiant.e devra maîtriser les aspects technologiques liés au fonctionnement des turbomachines à fluide compressible (compresseur et turbine). Plus spécifiquement, le disposotif pédagogique mis en place a pour but de donner les éléments théoriques, mais également pratiques, nécessaires à la compréhension des turbomachines à fluide compressible. Au terme de cette UE, l'étudiant.e sera donc capable :

  • de décrire les équations régissant les écoulement au sein des turbomachines à fluide compressible ainsi que leurs domaines de validité, et de les appliquer dans des situations appropriées ;
  • d'analyser, d'un point de vue énergétique, l'écoulement dans des turbomachines à fluide compressible ;
  • d'établir les performances de turbomachines à fluide compressible ;
  • de modéliser divers générateurs de puissance vue d'en calculer et d'en analyser les performances.

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'AA Turbomachines à fluide compressible comprend excluisvement des séances ex cathedra (24 heures). Le cours magistral compte généralement 12 séances de 2 heures. Ces séances sont organisées selon la structure suivante :

  1. Historique et aperçu des turbomachines à fluide compressible.
  2. Ecoulements compressibles : thermodynamique des systèmes ouverts, loi de Saint-Venant, enthalpie, température et pression totales, principes de fonctionnement des turbomachines et lois de similitude pour les machines à fluide compressible.
  3. Etude énergétique du fonctionnement des compresseurs : grille d'aubes, triangles de vitesses, rendements isentropique et polytropique, pompage et décrochage (tournant), diagramme de Mollier, courbes caractéristiques.
  4. Etude énergétique du fonctionnement des turbines : grille d'aubes, triangles de vitesses, rendements isentropique et polytropique, rendement moyen d'étage, degré de réaction.
  5. Equilibre radial : équation de l'équilibre radial, applications.
  6. Logiciel Gastub : initiation, exercices et projet.

Outre à induire une passion pour les turbomachines à fluide compressible chez l'étudiant.e, les séances ex cathedra sont consacrées à la description et à l'explication des concepts théoriques, mais aussi pratiques, de cette discipline. Ces séances sont par ailleurs destinées à développer chez l'étudiant.e les compétences requises afin de comparer, ainsi que d'analyser et de modéliser le fonctionnement de différentes turbomachines à fluide compressible. Ces séances sont également l'occasion de comprendre le dimensionnement de ces turbomachines.

Certaines séances en grand groupe sont par ailleurs dédicacées à la résolution d'exercices destinés à illustrer, sous un angle pratique, les concepts théoriques envisagés précédemment. Dans la même optique, quelques séances sont également consacrées à un projet de groupe. Ce dernier consiste à établir les performances de divers turbo-réacteurs (turbojet, turbofan, turboprop, …) à l'aide du logiciel GasTurb.

Engagement attendu de la part de l'étudiant.e

Lors des séances ex cathedra, l'implication de l'étudiant.e consistera en une écoute attentive et une prise de notes. Par ailleurs, il.elle sera encouragé.e à poser des questions chaque fois que cela est nécessaire. Nous lui conseillons d'oser mobiliser cette possibilité de questionnement. Il est également vivement conseillé de réaliser des synthèses personnelles au fur et à mesure des séances de cours. En outre, un travail régulier est absolment nécessaire afin de "faire les liens" entre les divers concepts abordés durant le cours, en veillant tout particulièrement à la compréhension physique des phénomènes mis en jeu. Enfin, dans cette UE, les concepts abordés sont à la fois théorique et pratique : il est donc conseillé de résoudre régulièrement les exercices, de visionner les vidéos et de s'investir dans le projet de groupe ceci afin d'effectuer les liens cognitifs entre les volets théorique et applicatif.

Examen écrit

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours ouvert. La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.

Règles de l’UE

Quels sont les supports et matériels de cours indispensables ?

Supports et matériels de cours

L'ensemble des notes du cours est disponible gratuitement et téléchargeable au format .pdf sur la plateforme d'apprentissage en ligne Moodle (https://learn.helmo.be). La clef d'accès sera communiquée lors de la première séance du cours théorique. Ces notes de cours comprennent :

  • Les diapositives vues au cours théorique. Ces dias couvrent l'ensemble de la matière enseignée au cours ex cathedra, et elles en épousent la même structure en chapitre. Elles seront avantageusement complétées et annotées par les étudiant.e.s durant le cours.
  • Un recueil d'exercices. Chaque exercice est accompagné de sa solution mais non de sa résolution qui sera établie - pour certains d'entre eux - en présentiel, lors de séances du cours magistral.
  • Diverses ressources utiles (vidéos, ouvrages de référence, logiciels et tutoriels, ...).

Nous conseillons également à l'étudiant.e soucieux d'approfondir ses connaissances de consulter l'ouvrage suivant : Jet Propulsion : A simple guide to the aerodynamic and thermodynamic design and performance of jet engines (2nd ed.), Nicholas Cumpsty, Cambridge University Press, 2003, New York, U.S.A.

Ce dernier est accessible gratuitement à l'adresse suivante : https://handoutset.com/wp-content/uploads/2022/05/Jet-Propulsion-A-Simple-Guide-to-the-Aerodynamic-and-Thermodynamic-Design-and-Performance-of-Jet-Engines-Nicholas-Cumpsty.pdf

Comment la note globale de l’UE est-elle déterminée ?

Explication de la pondération des différentes épreuves

La note globale de l’UE (/20) est couverte par l’épreuve écrite (20 points attribuables).

Quelles sont les informations administratives de cette UE ?