Turbines à gaz b.doc

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    Turbines à gaz

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    Réalisé par: Encadré par:

    Oumaima Guergachi Adil Belhamri Donia Gouaiche Sara Mamdouhi

    Sommaire

    I.Introduction

    II.Historique

    III.Principe de fonctionnement

    IV.Systèmes turbine a gaz 1.Compresseur 2.Chambre de combustion .Turbine

    V.!yc"es de turbine a gaz

    VI.#pp"ications 1. ndustrie terrestre 2. ndustrie aéronauti!ue

    I.Introduction

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    "es

    turbomachines# moteurs industriels# sont essentiellement caractérisées par le $ait !ue la puissance mécani!ue résultant de la trans$ormation de l%énergie h&drauli!ue 'turbines (eau) ou thermi!ue 'turbines ( ga* et turbines ( +apeur) est déli+rée de $a,on continue par

    l%action d%un $luide ( énergie éle+ée sur les ailettes# ou aubes# de une ou de plusieuroues- Elles se distinguent donc des moteurs alternati$s# dont la mise au point et ledé+eloppement ont précédé les leurs de pr.s d%un demi/si.cle et o0 l%action du $luidemoteur donne lieu au déplacement rectiligne# ( course limitée# de pistons dans un ou plusieurs c&lindres# ce mou+ement linéaire alternati$ étant ensuite trans$ormé enmou+ement circulaire par des transmissions mécani!ues 's&st.me bielle/mani+elle)-Depuis les années 1234 et ( la suite du dé+eloppement des technologies correspondantes#

    les turbines ont progressi+ement remplacé les moteurs alternati$s dans la plupart de leursapplications 'moteurs d%a+ions# centrales électri!ues# moteurs pour locomoti+es#compresseurs industriels) 5 les moteurs pour +éhicules routiers 'moteurs ( 6 e7plosion 8et diesels) constituent pour l%instant les seuls domaines réser+és des moteurs ( pistonsmalgré des tra+au7 de recherches pour l%utilisation de la turbine ( ga*-

    II.Historique

    "%idée d%une turbine ( ga* (combustion interne# ou d%une turbine ( air chaud# est asse*ancienne- D.s 1391# l%Anglais ohn Barber déposa un bre+et sur ce su;et- Cependant# $allut attendre en+iron cent ans a+ant !ue la turbine ( ga* ne prenne son essor- Sondé+eloppement $ut longtemps retardé par le succ.s de la turbine ( +apeur 'turbine ( action

    http://www.universalis.fr/encyclopedie/combustion/http://www.universalis.fr/encyclopedie/combustion/

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    de

    Gusta+e "a+al en 1

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    Phittle P 1# dessiné par =o er ets et réalisé par British Thomson/ ouston# $ut essa&é au banc en 1291 sur un appareilGloster E H< H2- Citons# en$in# les essais au banc d%un turboréacteur par Sensaud

    "a+aud et Brunet en 1293- Cependant# la durée de +ie de ce protot&pe ne dura gu.re plusde di7 minutes-

    III.Principe de fonctionnement

    Le principe de fonctionnement de la turbine a gaz consiste a soumettre un

    certain débit d’air, successivement a une compression, une combustion et une

    détente.L’air aspiré par le compresseur a multiples étages est comprimé jusqu’à

    environ 10 bars.

    A l’éc appement de compresseur, une partie de l’air comprime ! air carburant "

    subit une combustion, la température des gaz c auds obtenue atteint environ1000#$ !température admission turbine ". L’élévation de la température permet

    ainsi de porter au fluide moteur de l’énergie calorifique.

    A la sortie des c ambres de combustion les gaz c auds traversent les étages

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    turbine pour transformer l’énergie calorifique ainsi obtenue en énergie

    mécanique.

    $ette énergie mécanique sera donc énergie nécessaire pour l entra nement, d’une

    part du compresseur et d’autre part de l’alternateur !c arge ".

    L’énergie mécanique nécessaire pour l entra nementdu compresseur est environ le

    %&' de énergie totale produite par la détente des gaz c auds.

    (ans la grande majorité des cas l’aspiration du compresseur est directement liée

    a l’atmosp )re, de m*me l’éc appement de la turbine est généralement liée a

    l’atmosp )re soit directement soit par l’intermédiaire d’un récupérateur de

    c aleur e+emple c cle combine.

    L’air comburant fourni au+ c ambres de combustion est par conséquentconstamment renouvelé et les gaz détendus ne reviennent plus dans le circuit.

    -ne telle turbine a gaz est dite a c cle ouvert. our les turbines a c cle ouvert,

    les

    fluides traversant la turbine proprement dite diff)rent de celui qui traverse le

    compresseur aussi bien par son débit massique que par sa nature. /n effet ce

    fluide est un mélange de gaz de combustion pour la turbine, et son débit

    massique est égal a la somme des débits massique de l’air et du combustible.

    alors que pour le compresseur a+ial le fluide est simplement de l’air.

    IV.Systèmes turbine a gaz

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    Dans sa$orme

    la plussimpleet la plus

    répandue# une turbine ( ga* 'aussi appelée turbine ( combustion) est composée de trois éléments

    1-Compresseur

    "e compresseur de t&peturbomachine estsoit uncompresseur

    a7ial# soit un compresseur hélicoUdal# soit encore un compresseur centri$uge# sui+ant $orme donnée ( la +eine $luide- "es compresseurs a7iau7 généralement emplo&és pour lesmachines de $orte puissance# o0 la minimisation du ma tre couple est un impérati$#comportent une succession d%étages- Cha!ue étage est constitué d%un dis!ue tournant mund%ailettes et d%une rangée d%aubes $i7es# l%ensemble des

    dis!ues mobiles étant solidaire de l%arbre- "a turbine $ournit la puissance nécessaire (l%entra nement du compresseur- "e trans$ert d%énergie# depuis l%arbre +ers le $luideassuré par l%ensemble des ailettes mobiles- Celles/ci impriment au $luide un momentcinéti!ue dirigé dans le sens de rotation de l%arbre- Ce moment cinéti!ue est ensuiteannulé dans la rangée d%aubes $i7es sui+ante-

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    "es

    aubages mobiles et $i7es sont calés au bord d%atta!ue de $a,on ( ?tre dirigés au point de$onctionnement nominal de la machine# sui+ant la +itesse de l%écoulement repérée soidans le ré$érentiel tournant lié au7 roues 'cas des roues mobiles)# soit dans un s&st.me

    d%a7es $i7e 'cas des roues $i7es)- "e calage des aubages au bord de $uite est sélectionné de$a,on ( imprimer au $luide la dé+iation souhaitée +isant ( créer un moment cinéti!ue 'casdes roues mobiles) ou# au contraire# ( annuler ce moment cinéti!ue 'cas des roues $i7es)-"%ensemble des roues mobiles et des roues $i7es contribue ( l%accroissement de la pression- En e$$et# dans cha!ue roue mobile# le trans$ert d%énergie# depuis l%arbre +e$luide# se trou+e réalisé par accroissement simultané de l%énergie cinéti!ue et de la pression- En complément# dans les roues $i7es# l%e7cédent d%énergie cinéti!ue est ( s

    tour con+erti en un deu7i.me accroissement de la pression-

    "es compresseurs centri$uges sont généralement réser+és pour les puissances modérées etdans les situations o0 les !uestions de ma tre couple apparaissent secondaires- Ce sontdes composants rusti!ues et bien adaptés pour les applications industrielles- Qn étage decompresseur centri$uge comprend une roue mobile# un di$$useur lisse# é+entuellement undi$$useur ( ailettes# un redresseur a7ial 'con$iguration aéronauti!ue) ou une +olute'con$iguration industrielle)- "a roue mobile comporte un dis!ue sur le!uel sont montées

    des aubes- "a +eine de l%écoulement# délimitée par un carter $i7e et la sur$ace du dis!uedé+ient le $luide de la direction a7iale ( la direction radiale- De plus# les aubages de laroue mobile dé+ient le $luide de sa direction naturelle de $a,on ( générer un momentcinéti!ue important- "%accroissement de la pression dans la

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    roueestliéenon

    seulement au ralentissement de la +itesse du $luide mesurée dans le rep.re mobile# maisaussi ( l%action de la $orce centri$uge- "%énergie cinéti!ue importante du $luide# génér par le mobile# est ensuite trans$ormée en accroissement de pression supplémentaire dans

    les organes $i7es placés en a+al- Ainsi# le di$$useur lisse# espace délimité par deu7 planradiau7# assure un premier accroissement de la pression du $ait de la giration du $luide-"%absence d%aubages dans cette région améliore la souplesse de $onctionnement ducompresseur# au moins dans le cas des compresseurs ( $aible rapport de pression- "edi$$useur ( aubes placé en a+al compl.te l%accroissement de pression dans unencombrement limité-

    Dans la con$iguration aéronauti!ue# la +eine de l%écoulement est ensuite ramenée dans ladirection a7iale- "a composante giratoire du $luide est ensuite annulée dans une rangéed%aubes $i7es appelée redresseur-

    Dans la con$iguration industrielle# le di$$useur lisse ou le di$$useur ( aubes sont sui+isd%une +olute dont la $onction est de collecter le $luide sur la circon$érence a+ant de ldiriger dans une direction perpendiculaire ( l%a7e de rotation-

    H-Chambre de combustion

    Chambre de combustion ou $o&er# est l%endroit o0 l%on $ournit ( l%air l%énergie souschimi!ue en & réalisant une réaction chimi!ue ou une combustion de l%air- "a combustionest une o7&dation d%un h&drocarbure- "a !uantité de carburant in;ectée dans le $o&er plac

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    entrele

    compresseur et la turbine est généralement in$érieure ( la +aleur# appeléest chiométri!ue# utilisant toute la !uantité d%air aspirée# cela a$in d%amener les ga* brN( une température admissible pour les matériau7 emplo&és pour la turbine 'aubes#

    dis!ues#

    carters#etc-)- On dit alors !ue le mélange est pau+re# ou encore !ue la richesse estin$érieure ( l%unité-

    "%obtention d%une combustion satis$aisante dans le $o&er suppose tout d%abord !umélange intime entre air et carburant soit réalisé- Dans le cas o0 un carburant li!uide estutilisé# trois t&pes d%in;ecteurs sont généralement emplo&és : des pul+érisateurs de t&mécani!ue# des cannes de pré/+aporisation ou encore des pul+érisateurs aérod&nami!ues#les gouttelettes de carburant li!uide étant cisaillées entre deu7 lames d%air contrarotati+es-"e délai d%in$lammation# !ui dépend de la température# de la pression et de la richesse#doit ?tre su$$isamment court- En$in# pour !ue la $lamme soit stabilisée dans le $o&er# $aut organiser la combustion dans des *ones o0 la +itesse du $luide est tr.s $aible# a$in !uela propagation de la $lamme par e$$et de conduction puisse compenser la con+ection des

    ga* +ers l%a+al- V cet e$$et# on utilise par$ois des accroche/$lammes# et# pgénéralement# on organise des *ones de recirculation stable-

    Qn $o&er de turboréacteur comporte un tube ( $lammes# o0 est admis en premier l%ai primaire mélangé au éros.ne au mo&en d%in;ecteurs- Dans la premi.re partie de ce tubeest organisée une combustion st chiométri!ue- "%air secondaire en+eloppe ensuite ce

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    tube#

    assurant ainsi une protection thermi!ue# et des per$orations réalisées dans ce dernier contribuent ( organiser les recirculations souhaitées dans le tube et assurent une dilutiondes produits de combustion- Des tra+au7 de recherche sont actuellement consentis pour

    diminuer sensiblement la pollution 'poussi.res# KO7# CO# SOH# etc-)- Dans le cas desmachines aéronauti!ues# la di$$iculté pro+ient du $ait !ue le $o&er $onctionne ( di$$érentrégimes 'ralenti# montée# croisi.re# etc-)- Des chambres ( deu7 t?tes sont# depuis lesannées 1224# incorporées sur certains moteurs S-K-E-C-M-A- G-E-# comme le C M I le GE 24- On en+isage ( plus long terme plusieurs techni!ues pour diminuer les polluants- Citons principalement la chambre de combustion (

    pré/mélange pau+re# la chambre de combustion riche ( dilution rapide et $inalement lachambre de combustion catal&ti!ue-

    9-Turbine

    "es turbines a7iales sont réser+ées pour les machines de $orte puissance# tandis !ue lesturbines centrip.tes sont utilisées pour les puissances modestes et dans les cas o0 latempérature des ga* de tra+ail est modérée du $ait !ue ces machines ne sont pas re$roidieset !ue les calories sont drainées +ers l%a7e# donc +ers les paliers-

    Cha!ue étage de turbine a7iale comporte une rangée d%aubages $i7es ou distributeur destiné ( créer un moment cinéti!ue et une roue mobile munie d%ailettes- "a $onction de la

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    roue

    mobile est d%annuler le moment cinéti!ue incident# ce !ui entra ne la création d%un coupsur l%arbre de la turbine- "es aubages de la roue mobile sont de deu7 t&pes : soit ( action#soit ( réaction- Dans le premier cas# la pression reste sensiblement constante ( la tra+ersée

    de la roue mobile# et la dé+iation des aubages est importante- "a poussée a7iale sur l%arbreest alors $aible- Cette con$iguration est réser+ée au7 coupes de pied des ailettes mobiles-"a seconde disposition# !ui donne une baisse de pression dans la roue# se rencontre sur les coupes de t?te des aubages- "a poussée a7iale sur le rotor est alors consé!uente-

    Dans le cas des turbines centrip.tes# le chemin pris par le $luide est sensiblement l%in+ersede celui !ue prennent les ga* tra+ersant un compresseur centri$uge- "a +eine d%entrée duga* est soit a7iale 'con$iguration aéronauti!ue) et comprise entre deu7 c&lindrescoa7iau7# soit perpendiculaire ( l%a7e de rotation# l%écoulement étant ensuite distribudans un plan radial autour du mobile ( l%aide d%une +olute- Dans la partie radiale située eamont du mobile# on place par$ois un

    distributeur ( aubes $i7es# dont la $onction est identi!ue ( celle des distributeurs a7iau7-

    "es mécanismes de trans$ormation de l%énergie sont analogues ( ceu7 !ui sont décrits pour les machines a7iales# ( ceci pr.s !ue la chute de pression dans les aubages de la rouemobile est due non seulement ( l%accroissement de la +itesse relati+ement au7 ailettes#mais aussi au rapprochement +ers l%a7e des nappes de courant de $luide 'c%est l%e$centrip.te)- "e dis!ue supporte les aubes# !ui sont calées radialement a$in de minimiser les contraintes mécani!ues dans le matériau- =our la m?me raison# des lunules sont

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    prati!uées ( la périphérie du dis!ue# entre les aubes- Comme dans le cas des rouesa7iales# le moment cinéti!ue d%entrée est annulé dans la roue# a$in de récupérer le couplcorrespondant sur l%arbre de la turbine- Dans le cas des turbines ( ga* ( énergie

    mécani!ue# un di$$useur a7ial ou radial d%échappement permet de minimiser l%énergcinéti!ue é+acuée-

    V.!yc"es de turbine a gaz

    =ar rapport au c&cle thermod&nami!ue simple et au $onctionnement en circuit ou+ert présenté ( la $igure ci dessous# des aménagements et des améliorations sont sou+ent

    adoptés- "a lecture du c&cle de oule permet de mieu7 comprendre les di$$érentescon$igurations possibles-

    Qne premi.re con$iguration peut ?tre obtenue# en circuit $ermé# a+ec un $luide é+oluanten boucle- "a compression du ga* s%op.re entre 1 et H# l%apport de chaleur au ni+eau de source chaude est obtenu entre H et 9 ( l%aide d%un premier échangeur de chaleur# détente entre 9 et > s%e$$ectue dans une turbine tandis !u%un second échangeur# entre >1# permet de ramener le $luide ( son état initial-

    Dans le cas d%un circuit ou+ert# il est également possible de disposer en premier uncomposant autre !ue le compresseur- Ainsi# on peut placer d%abord le $o&er ou unéchangeur de chaleur puis la turbine# un second échangeur re$roidisseur et# en$in# le

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    compresseur- Si les ga* de tra+ail sont dé;( comprimés et chauds# l%utilisation dans l%ordde ces trois derniers composants est su$$isante- Ces deu7 derni.res dispositions sontdénommées turbines ( ga* ( composants in+ersés- "a turbine ( ga* classi!ue peut en$in

    comporter en amont un échangeur re$roidisseur-

    "es c&cles de turbine ( ga* améliorés comportent généralement des échangeurs# organes+olumineu7 et dont l%utilisation est réser+ée au7 machines thermi!ues terrestres- Qne premi.re disposition concerne la possibilité de placer un échangeur entre deu7 étages decompression# ce !ui permet une économie d%énergie- "a deu7i.me possibilité concernel%utilisation d%un échangeur récupérateur en sortie de turbine et parcouru ( contre/couran par l%air $rais issu du compresseur- l est alors possible d%économiser du carburant- Qtroisi.me possibilité concerne la réchau$$e- Elle consiste ( intercaler entre deu7 étages deturbine un $o&er supplémentaire# a$in de rehausser le ni+eau de température de+ant ladeu7i.me turbine- Ces di$$érentes dispositions sont en général groupées sur une m?meinstallation- "%utilisation de plusieurs $luides permet d%en+isager des c&cles plucomple7es dont les ;usti$ications sont énergéti!ue et économi!ue# ce !ui impose !ue cesinstallations soient opérationnelles pendant plusieurs di*aines d%années 'e7emple de lacogénération ga*# +apeur)-

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    VI.#pp"ications

    "a turbine ( ga* contribue dans une large mesure au7 motorisations actuelles- "eur a+antage delég.reté en impose l usage dans l aéronauti!ue# tandis !ue dans le domaine des $ortes puissances'production d électricité) elles se démar!uent par leur adaptation ( des c&cles combinés ou de cogénérationtr.s per$ormants-

    1- ndustrie terrestre

    "%utilisation de la turbine ( ga* pour la traction terrestre est un +ieu7 r?+e desingénieurs- uel!ues succ.s relati$s ont été obtenus a+ec# notamment# le turbotrain et# plus récemment# l%adoption de turbines ( ga* sur les chars d%assaut de l%armée américa

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    En ce!ui

    concerne les +éhicules routiers# la concrétisation de ces études est beaucoup plus problémati!ue-

    Certes# de nombreu7 protot&pes ont été réalisés# mais la mise au point des turbines ( ga* bute sur les impérati$s des +éhicules terrestres# ( sa+oir : nécessité d%obtenir uneconsommation tr.s $aible et un couple su$$isant sur une bonne plage de +itesse de rotationet# en$in# un temps de réponse tr.s court ( l%accélération-

    Des sommes importantes sont consacrées# auapon# au7 Jtats/Qnis et# ( moindre titre# enEurope# pour la réalisation de turbines ( tr.s haute température $abri!uées a+ec desmatériau7 cérami!ues et munies de régénérateurs ou de récupérateurs de chaleur# de$a,on ( abaisser la consommation- Des moteurs h&brides constitués de turbines ( ga*entra nant des alternateurs sont actuellement étudiés# le $onctionnement purementélectri!ue au mo&en de batteries étant proposé en +ille a$in d%annuler toute pollution-

    En re+anche# l%implantation des turbines ( ga* sur les bateau7 est une réalité-

    "a turbine ( ga* est le mo&en adapté pour disposer de $a,on autonome d%une sourced%énergie ( la $ois mécani!ue# électri!ue et thermi!ue- On parle alors de s&st.me ( énergietotale- Citons# par e7emple# les groupes autonomes sur les plates/$ormes de $orage ou pour la recompressions des ga* de pipelines- Qne turbine ( ga* de $orte puissance couplée( un alternateur permet d%obtenir une puissance électri!ue importante- Ainsi# en 12< #

    http://www.universalis.fr/encyclopedie/japon-le-territoire-et-les-hommes-l-economie/http://www.universalis.fr/encyclopedie/japon-le-territoire-et-les-hommes-l-economie/

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    E-D- - a décidé de réaliser une centrale protot&pe ( turbine ( ga* ( combustion 'T-A-C-)de grande puissance 'H1 MP) installée ( Genne+illiers ' auts/de/Seine)- Cette T-A-C-constitue la premi.re machine de cette puissance ( ?tre mise 6 en ser+ice industriel 8 dans

    le monde- Cette centrale est destinée ( $onctionner pendant des périodes de pointe deconsommation- C%est une machine de secours capable d%aider ( reconstituer le réseauE-D- - apr.s un incident généralisé- "%accent est mis sur la réduction des nuisances :réduction du bruit et des émissions ga*euses# particuli.rement des o7&des desou$re- Cettecentrale peut $onctionner aussi bien au ga* naturel !u%au $uel# ce !ui ren$orce sonautonomie-

    "e charbon# !ui $ut au W We si.cle la source d%énergie premi.re pour produire la +apeurreste au;ourd%hui# et sera +raisemblablement demain# une source d%énergie de premordre au7 Jtats/Qnis et en Europe- "es techni!ues actuelles de combustion du charbon ne permettent pas d%accro tre sensiblement la production d%électricité par ce mo&en# prépondre ( la demande# cela ( cause des tau7 de dio7&de de sou$re 'SOH) admis par lesnormes de pollution- Mais on étudie des s&st.mes peu polluants et ( haut rendement aucharbon# tels !ue le c&cle combiné ( ga*éi$ication intégrée ' GCC) ou le c&cle combiné (combustion e7terne 'E CC) proposé en Europe- Ces deu7 techni!ues $ont inter+enir la

    ga*éi$ication du charbon et emploient la turbine ( ga*- "a techni!ue E CC nécessite lamise au point d%échangeurs tenant ( des tr.s hautes températures 'Q- -T- -E-) ets%accommodant bien des probl.mes d%encrassement

    H- ndustrie aéronauti!ue

    http://www.universalis.fr/encyclopedie/soufre/http://www.universalis.fr/encyclopedie/gaz-naturel/http://www.universalis.fr/encyclopedie/soufre/http://www.universalis.fr/encyclopedie/gaz-naturel/

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    Du $aitde sa

    puissance spéci$i!ue éle+ée# la turbine ( ga* est particuli.rement bien adaptée au7applications aéronauti!ues- "es turbines ( ga* aéronauti!ues comprennent principalementles turbomoteurs# les turbopropulseurs et les turboréacteurs- "es turbomoteurs ont pour

    $onction de $ournir une puissance mécani!ue sur l%arbre- Citons en premier les groupesau7iliaires de puissance 'G-A-=-) utilisés pour l%entra nement d%alternateurs et dcompresseurs de charge dont les ga* comprimés sont destinés ( ?tre détendus dans desturbines de démarrage- "e turbopropulseur est une turbine ( ga* !ui# par l%intermédiaired%un réducteur# assume l%entra nement d%un second arbre parall.le au premier et sur leest monté une hélice ( pas +ariable- "e turboréacteur est une turbine ( ga* dans la!uelleles ga* se détendent partiellement dans la turbine entra nant le compresseur# la seconde

    partie de la détente s%opérant dans la tu&.re a$in de libérer l%énergie propulsi+e-"eturboréacteurs double $lu7 comportent# en plus du $lu7 central chaud# un $lu7 secondair$roid# comprimé dans une roue ( aubes de grande dimension# redressé dans une grilled%aubes $i7es# puis accéléré dans une tu&.re secondaire-

    Cette disposition con+ient au7 nombres de Mach de +ol modérés 'M X 4#

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    #nne$es

    %ttps&''fr.(i)ipedia.org'(i)i'Turbine*+! +#,*gaz-#pp"ications

    %ttp&''(((.uni ersa"is.fr'encyc"opedie'turbines/a/gaz'

    %ttp&''agora.enim.fr'%)' #*T%ermo*! *Turbines*gaz'! *Turbines*gaz*(eb.pub"i'

    (eb'co'! *Turbines*gaz.%tm"

    http://www.universalis.fr/encyclopedie/turbines-a-gaz/http://www.universalis.fr/encyclopedie/turbines-a-gaz/