Centrale Physique 2 TSI 2001Sujet
- Premier principe pour un système ouvert en régime permanent
- Enthalpie massique et bilans énergétiques
- Gaz parfait et transformations isentropiques
- Cycle de Joule (Brayton) et rendement thermodynamique
- Irréversibilités et efficacités isentropiques
- Diagrammes entropiques et de Clapeyron
- Poussée et efficacité motrice d'un turboréacteur
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Présentation du sujet
Thermodynamique des systèmes ouverts : turbine à vapeur, cycle de Joule et turboréacteurAfficher ou masquer la section
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Le sujet étudie le premier principe appliqué aux systèmes ouverts en régime permanent, à travers l'exemple d'une turbine à vapeur, puis développe le cycle de Joule (Brayton) d'une turbine à gaz dans les cas idéal et réel (irréversibilités du compresseur et de la turbine), avant d'étendre cette étude au turboréacteur d'aviation, avec calcul de sa poussée et de son efficacité motrice, dans les cas idéal puis réel.
- 1I. Étude d'une turbineÉtablissement du premier principe pour un système ouvert en régime permanent, appliqué à une turbine à vapeur pour calculer la puissance thermique échangée.
- 2II. Étude d'une turbine fonctionnant suivant un cycle de JouleÉtude du cycle de Joule idéal (compresseur, chambre de combustion, turbine) pour déterminer les travaux, transferts thermiques et rendement thermodynamique, puis prise en compte des irréversibilités du compresseur et de la turbine par des efficacités isentropiques.
- 3III. Étude d'un turboréacteurExtension du cycle de Joule au turboréacteur d'aviation (diffuseur, compresseur, chambre de combustion, turbine, tuyère), calcul de la poussée et de l'efficacité motrice dans le cas idéal, puis dans le cas réel avec les rendements du diffuseur, du compresseur, de la turbine et de la tuyère.
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PHYSIQUE II
Partiel - Étude d'une turbine
On néglige toute variation d'énergie potentielle gravitationnelle et on se place en régime permanent.
I.A.1) Montrer que les débits massiques entrant

I.A.2) Montrer quel'application du premier principe à une quantité de fluide que l'on définira de manière précise, conduit à :
I.B - Application numérique: une turbine à vapeur fonctionne dans les conditions suivantes:
Entrée:
Filière TSI
I.B.1) Calculer la puissance thermique
I.B.2) Calculer Ie rapport
I.B.3) Calculer Ie rapport
Dans toute la suite de ce problème:
- on considérera uneturbineà gaz simple puis un turboréacteur dans lesquels l'air en entrée ou les gaz brûlés en sortieseront assimilés à des gaz parfaits de masse molaire
M , de capacités thermiques massiques à volume constantc_v et à pression constantec_p (c_v etc_p sont supposées constantes, indépendantes dela température).
On donne :
- On utilisera la relation dela question I.A. 2 ; tous les travaux définis dans les paragraphes suivants n'incluront jamais le travail des forces de pression au ni veau des surfaces d'entrée et de sortie des dispositifs considérés.
Partie II - Étude d'une turbine fonctionnant suivant un cycle deJ oule (ou cycle Brayton)
II.A - La figure 3 (entropie massique s en abscisse, température T en ordonnée) donne les éléments du cycle qui commande un fonctionnement idéal du dispositif:
-
1 → 2 : évolution isentropique dans le compresseur Co durant laquelle l'air reçoit, par unité de masse, le travailW_C . -
2 → 3 : évolution isobare à la pression constanteP_2 pendant la combustion qui fournit au gaz, par unité de masse, le transfert thermiqueQ_E . -
3 → 4 : évolution isentropique dans la turbine Tu durant laquelle les gaz brûlés reçoivent algébriquement par unité de masse, letravailW_T . Cetravail sert en partie à faire fonctionner le compresseur et le reste est disponible pour le milieu extérieur. -
4 → 1 : évolution isobare à la pression constanteP_1 lors de l'éjection des gaz brûlés qui reçoivent algébriquement, par unité de masse, le transfert thermiqueQ_S .

.jpg)
II.A.1) Représenter le cycle de J oule en diagramme de Clapeyron : volume massiqueV/m en abscisse, pressionP en ordonnée.
II.A.2) En utilisant la relation obtenue à la question I.A. 2 et en négligeant les variations d'énergie cinétique, exprimer les travauxW_C etW_T ainsi que les transferts thermiquesQ_E etQ_S en fonction dec_p et des températuresT_1, T_2 ,T_3, T_4 correspondant respectivement aux points (1), (2), (3), (4) de la figure 3.
II.A.3) Quel est, en fonction deW_C etW_T , le travailW_F fourni par unité de masse par le système au milieu extérieur au cours d'un cycle?
II.A.4) Définir le rendement thermodynamiqueη de la turbine à gaz. Déterminer l'expression deη en fonction des températuresT_1, T_2, T_3, T_4 , puis en fonction des seules températuresT_1 etT_2 .
II.A.5) Déterminer l'expression deη en fonction du rapport des pressions
II.A.7) Application numérique: on donne
a) Calculer
b) Calculer
c) Calculer Ie rendement
II.B - En fait, le compresseur et la turbine ont des fonctionnements irréversibles et le cycle réel des gaz dans la turbine est représenté figure 4 (états (1) et (3) inchangés) :
-
1 → 2 a : l'évolution de l'air dans le compresseur Co n'est plus isentropique ; l'air y reçoit, par unité de masse, le travailW_(Ca) . -
2a → 3 : pendant la combustion, l'évolution reste isobare à la pression constanteP_2 ; le gaz reçoit, par unité de masse, le transfert thermiqueQ_(Ea) . -
3 → 4a : I'évolution des gaz dans la turbine Tu

n'est plus isentropique; les gaz brûlés reçoivent algébriquement, par unité de masse, le travailW_(Ta) . -
4a → 1 : Iors de l'éjection des gaz brûlés, l'évolution reste isobare à la pressionP_1 ; les gaz reçoivent algébriquement, par unitéde masse, le transfert thermiqueQ_(Sa) .
On définit les efficacitésη_C etη_T (η_C etη_T sont inférieures à l'unité) respectives du compresseur et de la turbine par :
La relation obtenue à la question I.A. 2 est toujours valable et les variations d'énergie cinétique restent négligeables.
II.B.1) Calculer les températures respectives
II.B.2) Expliquer pourquoi les points (2a) et (4a) sesituent respectivement à droite des points (2) et (4) sur la figure 4.
II.B.3) Calculer le rendement
II.B.4) Calculer la variation d'entropie massique
II.B.5) Application numérique: en plus des valeurs numériques précédentes, on donne
Partie III - Étude d'un turboréacteur
La section centrale del'engin comprend les trois composants déjà étudiés lors de la seconde partie (compresseur Co, chambre de combustion Ch, turbine à gaz Tu ) et dans laquelle l'énergie cinétique des gaz peut être négligée. A l'entrée du turboréacteur, se trouve le diffuseur Di dont la fonction est d'accroître la pression de l'air depuis la pression d'entrée

III.A - La figure 6 représente l'évolution cyclique de l'unité de masse de gaz pour un fonctionnement idéal du turboréacteur (entropie massique s en abscisse et température
-
y → 1 → 2 : évolution isentropique dans le diffuseur Di et le compresseur Co ; l'air ne reçoit pas de travail dans le dif-

fuseur et il reçoit, par unité de masse, le travailW_C dans le compresseur. -
2 → 3 : évolution isobare à la pression constanteP_2 pendant la combustion qui fournit, par unité de masse de gaz, le transfert thermiqueQ_E . -
3 → 4 → 5 : évolution isentropique dans la turbine Tu et la tuyère Te ; dans la turbine, les gaz brûlés reçoivent algébriquement, par unité de masse, le travailW_T . Dans un turboréacteur, la totalité de ce travail sert à faire fonctionner le compresseur de sorte queW_T + W_C = 0 . Les gaz brûlés ne reçoivent pas de travail dans la tuyère. -
5 → y : évolution isobare à la pression constanteP_y = P_5 lors de l'éjection des gaz brûlés qui reçoivent algébriquement, par unité de masse, le transfert thermiqueQ_S .
III.A.1) Représenter l'évolution cyclique des gaz dans le turboréacteur en diagramme de Clapeyron (volume massiqueV/m en abscisse, pressionP en ordonnée) en y indiquant clairement la position des différents points (y) , (1), (2), (3), (4), (5).
III.A.2) Évolution de l'air dans le diffuseur Di .
a) En utilisant la relation obtenue à la question I.A.2, écrire une relation entre la températureT_y et la vitesse de l'airv_y à l'entrée du diffuseur et la températureT_1 à la sortie du diffuseur.
b) Application numérique: I'avion vole à la vitessev_y = 260 m.s^(− 1) à une altitude telle queP_y = 0, 67 bar etT_y = 266 K .
III.A.3) Évolution dans la section centrale (
a) Exprimer le travail
En déduirela température
b) Application numérique: en plus des valeurs précédentes, on donne
III.A.4) É volution des gaz brûlés dans la tuyère Te .
a) En utilisant la relation obtenue à la question I.A.2, écrire une relation entre la température
b) Application numérique: calculer
III.A.5)
a)
Proposer une justification de cette relation et vérifier son homogénéité.
b) Calculer la puissance
c) Calculer la puissance
d) En déduire l'efficacitémotrice du turboréacteur
e) Application numérique: calculer
III.B - En réalité, le diffuseur, le compresseur, la turbine et la tuyère ont des fonctionnements irréversibles (l'évolution des gaz dans ces appareils n'est donc plus isentropique) et la cycle réel des gaz dans le turboréacteur est représenté figure 7 (l'état initial ( y) étant évidemment inchangé par rapport au cas idéal). Dans les questions qui suivent, on utilisera les données numériques demandées sans chercher à tout prix à écrire les expressions littérales correspondantes. Dans le compresseur, la chambre de combustion et la turbine, l'énergie cinétique des gaz est toujours négligeable.
- le cycle réel
y → 1a → 2a → 3a → 4a → 5a → y . - les points
(y), (1), (2) correspondant au début du cycle idéal. - le point «fictif » (4b) qui a même entropie massique que le point (3a) et même pression
P_(4a) que le point (4a). - le point (5b) qui a même entropie massique que le point (4a) et même pression
P_y que les gaz sortant du turboréacteur.

III.B.1) Evolutiony → 1 a dans le diffuseur Di :
Calculer la valeur numérique de la pression
III.B.2) Evolution 1a
Déduire la valeur numérique de la température
III.B.3) Evolution 2a
Calculer la valeur numérique du transfert thermique
III.B.4) Evolution
a) Dans la turbine Tu les gaz brûlés reçoivent algébriquement, par unité de masse, le travail
En déduire la valeur numérique de la température
b) Pour une évolution de la pression
Calculer la valeur numérique du travail
III.B.5) Evolution
4a → 5a dans la tuyère
Te .
Calculer les valeurs numériques de la température
la tuyère (on suppose que, comme dans le cas idéal, les gaz entrent dans la tuyère avec une vitesse négligeable et n'y reçoivent aucun travail).
III.B.6) Calculer, dans le cas réel, les valeurs numériques de la puissance
III.B.7) Quelles critiques peut-on apporter au modèle dit «réel »?
-••FIN•••
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de Physique II Centrale TSI 2001 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de Physique II Centrale TSI 2001 ?
Le sujet porte sur la thermodynamique des systèmes ouverts en régime permanent, à travers l'étude du cycle de Joule (Brayton) d'une turbine à gaz puis d'un turboréacteur d'aviation.
Le sujet distingue-t-il un fonctionnement idéal et un fonctionnement réel ?
Oui, les parties II et III étudient d'abord un cycle idéal avec des évolutions isentropiques dans le compresseur et la turbine, puis un cycle réel prenant en compte les irréversibilités via des efficacités isentropiques du compresseur, de la turbine, du diffuseur et de la tuyère.
Quel résultat de cours faut-il connaître pour ce sujet ?
Il faut maîtriser le premier principe de la thermodynamique appliqué à un système ouvert en régime permanent, reliant le travail utile et le transfert thermique à la variation d'enthalpie massique et d'énergie cinétique du fluide.
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