cours n°11 (fin): le turbopropulseur

18 12 2008

Les turbopropulseurs

C’est l’ensemble constitué d’une hélice mue par une turbomachine qui convertit l’essentiel de l’énergie des gaz produits en énergie mécanique. Ce n’est pas à proprement parler un moteur à réaction turbopropulseur mais il est très semblable à un turboréacteur double flux à très fort taux de dilution dont la soufflante ne serait pas carénée. Les limitations aérodynamiques des hélices limitent son utilisation à des vitesses inférieures à mach 0,7 à peu près.

  1. L’hélice (A) pré comprime l’air admis dans les entrées d’air.
  2. L’air est comprimé par les compresseurs (C).
  3. Il est ensuite introduit dans la chambre de combustion, là il est mélangé au carburant pulvérisé.
  4. Un système d’allumage démarre la combustion du mélange gazeux.
  5. L’énergie cinétique des gaz à la sortie de la chambre de combustion (D) est utilisée de trois façons.

Elle sert à :

  • Actionner les turbines (E) qui entraînent les compresseurs (C) et les génératrices électriques.
  • Actionner la turbine (E) qui entraîne le réducteur (B), lui même entraînant l’hélice (le réducteur transforme la vitesse élevée à faible couple en vitesse faible à fort couple).
  • Fournir une poussée à l’avion par l’échappement des gaz dans la tuyère (F).


Cours n°11: le turboréacteur et le statoréacteur

18 12 2008

Le turboréacteur

1- Principe de propulsion par réaction

Si on gonfle d’air un ballon, l’air s’échappe avec une vitesse importante. L’air à l’intérieur du ballon est à la pression p’ et sa vitesse est nulle. En sortant du ballon, l’air passe à la pression p, en augmentant sa vitesse.

P’=p+ ½ ? x V² (théorème de Bernoulli)

En sortant du ballon, l’air exerce sur le ballon une poussée, proportionnelle à la vitesse

F= Dm x v

(débit massique= masse d’air éjectée en une seconde).

Dans le cas d’un moteur à réaction, on absorbe un débit d’air Dm à une vitesse Ve, on le comprime et on le rejette à une vitesse Vs

F= Dm x (Vs-Ve)              (théorème d’Euler)

2- Constitution d’un turboréacteur

Turboréacteur simple corps et simple flux

L’entrée d’air : dans le turboréacteur, l’air rentre par une entrée d’air pour le guider jusqu’à l’entrée du moteur proprement dit.

Le compresseur : l’air pénètre dans un compresseur qui permet de le monter en pression. Le compresseur est constitué de roues, petites ailes (ailettes ou aubes), certaines fixes, d’autres avec un mouvement de rotation. Un étage de compresseur est constitué d’une roue mobile et d’une roue fixe. Plusieurs étages (de 2 à 15) tournant dans le même sens constituent le corps. Il peut y avoir 1 à 3 corps dans un moteur.

La chambre de combustion : l’air est envoyé dans la chambre de combustion, où il est mélangé au carburant vaporisé et enflammé. Il est alors fortement comprimé et s’échappe vers l’arrière du moteur en se détendant.

La turbine : lors de sa détente, l’air passe dans une turbine (constitution identique au compresseur), qui est reliée au compresseur ; c’est elle qui fait tourner le compresseur.

La tuyère : c’est par là que s’échappe les gaz brûlés et permet à l’air d’atteindre de très grandes vitesses et d’engendrer ainsi des poussées importantes.

Problème : grande consommation de carburant. On a donc cherché des solutions permettant d’augmenter la poussée tout en diminuant la consommation de carburant.

La première solution a été de séparer le flux d’air, à l’entrée du réacteur, en 2 flux (on parle de turboréacteur double flux). La première partie suit le trajet normal ; la seconde partie est tout de suite envoyée vers la tuyère après le 1er étage de compresseur. L’air provenant du 2nd flux est plus lent que le premier mais permet d’augmenter la poussée à moindre frais.

La poussée des réacteurs militaires peut être fortement augmentée par un dispositif de post-combustion : on injecte du carburant à l’entrée de la tuyère, dans les gaz chauds qui s’enflamment spontanément, accroissant ainsi la vitesse des gaz éjectés, et donc la poussée du moteur.

Turboréacteur avec post-combustion :

Turboréacteur double corps, double flux :

3- Le statoréacteur

Autre possibilité pour obtenir une poussée par réaction : le statoréacteur ou tuyère thermopropulsive.

Le principe est très simple :

Le statoréacteur ( « stato » pour statique ) est un réacteur très particulier puisqu’il ne comporte aucune pièce mobile. C’est le plus simple des moteurs pour avions que l’on puisse imaginer. Il s’agit simplement d’un cylindre dans lequel on fait brûler un carburant. Adapté aux hautes vitesses ( entre Mach 1 et Mach 5 ), il est utilisé principalement de nos jours à des tâches très spécifiques comme la propulsion de missiles aéroportés (la vitesse de l’avion porteur autorise l’allumage).

4- Contrôle du fonctionnement, performances et utilisation

Le carburant utilisé pour les réacteurs : kérosène ; il ne brûle qu’aux hautes températures. Un réacteur à l’arrêt ne peut démarrer directement. Il est d’abord lancé par un groupe de démarrage externe. Le combustible est alors enflammé par une bougie à étincelle. Une fois démarré, il s’autoalimente.

Le pilote, pour vérifier le fonctionnement du réacteur, dispose de certains instruments :

–          Le tachymètre qui indique le régime du moteur (en %)

–          Un indicateur de température des gaz dans la tuyère

–          Des voyants permettant de signaler une anomalie de fonctionnement du circuit de lubrification.

Les turboréacteurs peuvent fournir des poussées de 500 daN à 3000 daN ; ils peuvent faire voler des aéronefs de plusieurs centaines de tonnes à 800km/h et plus.

Ex du Concorde : 130 tonnes, +100 passagers, à Mach 2,5

Les principaux défauts ont été en partie corrigés : consommation excessive, usure rapide des pièces tournantes, bruit excessif ; utilisation des turboréacteurs très répandue, dans aviation civile et militaire, même pour des vols régionaux.



diaporama sur l’hélice

12 12 2008

(diaporama réalisé par Eric Savattero):

ce diaporama est un peu compliqué mais rien n’empêche d’aller y jeter un oeil!

helice



Cours n°10: la pression atmosphérique

2 12 2008

(en préambule des cours sur les moteurs à réaction, les instruments de bord, l’aérodynamique et la météo).

La pression atmosphérique


1- Le tube de Venturi

Le tube de Venturi (du nom d’un physicien italien du 18ème siècle) est tuyau court présentant un resserrement interne. On l’utilise pour mesurer le débit des fluides. On peut le représenter par l’assemblage de 2 entonnoirs.

tube de Venturi

La quantité d’air qui passe à l’entrée du tube est identique à celle qui passe au col (passage le plus étroit) et à la sortie : le débit de l’air est constant. Seules les vitesses sont différentes : il se produit une accélération des particules d’air au rétrécissement du tube, jusqu’au passage du col. Puis, la vitesse du vent diminue et retrouve, à la sortie, sa vitesse d’origine.

Un fluide qui passe dans un tel tuyau voit sa pression baisser par le fait de franchir le resserrement, en même temps que sa vitesse s’accroît. En clair, cela signifie que si la section du tube décroit, la vitesse des filets d’air doit alors nécessairement augmenter. Quand la vitesse du fluide augmente, sa pression diminue.

En résumé :

Section du tube S1 (entrée) S2 (col) S3 (sortie)
Vitesse du vent augmente maxi diminue
pression statique diminue mini augmente
pression dynamique augmente maxi diminue
pression totale constante

2- La pression atmosphérique

La pression atmosphérique est la pression exercée par l’air qui entoure la terre. Elle varie selon le moment considéré, la température, la latitude et surtout l’altitude. Elle équivaut à environ 76 cm de Hg au niveau de la mer. 1 atmosphère = 1 bar = 760 mm Hg = 1 kgf / cm2. La pression atmosphérique est mesurée à l’aide des baromètres. Elle permet, en partie, de prévoir le temps. Une chute importante de la pression sur le baromètre de bord annonce l’arrivée d’une dépression souvent génératrice de coup de vent.

a- La pression statique

La pression statique est la pression de l’air au repos. Elle est égale à la pression atmosphérique et est indépendante de la vitesse. Elle se mesure à l’aide d’un baromètre.

b- La pression dynamique

La pression dynamique représente la pression exercée par des particules en mouvement (ex : le vent). Elle est proportionnelle à la vitesse de l’air et à sa masse spécifique.

Pd = Pt – Ps

Pd = ½ ?V²

? = densité de l’air (masse volumique)

Varie en fonction de :

–          la température de l’air

–          la pression atmosphérique

–          l’altitude

Valeur moyenne : 1.225 gr par litre d’air au niveau de la mer, pour une pression de 1.013,25 hPa et à une température de 15°C. Plus on monte, plus la pression diminue, ainsi que ?.

V : vitesse de l’écoulement de l’air

c- La pression totale

C’est l’addition de la pression dynamique et de la pression statique :

Pt = Pd + Ps = constante

½ ?.V² + Ps = constante



Cours n°9: l’hélice

2 12 2008

Maths : Archimède de Syracuse

L’hélice

L’hélice était connue en propulsion nautique ; elle a été appliquée en propulsion aéronautique. Les premières hélices avaient un très mauvais rendement, elles ne transformaient qu’une faible partie de l’énergie du moteur en traction. Jusqu’à ce que les héliciers considèrent la pale comme une aile et apportent cambrure et vrillage sur l’extrados de la pale.

Rôle : elle restitue la puissance développée par le moteur et nécessaire à la traction.

Définition : voilure tournant dans un plan perpendiculaire à l’axe des roulis. Elle se compose d’un minimum de 2 pales réunies par la partie centrale appelée moyeu, lui-même solidaire de l’arbre moteur.

Les pales sont dessinées comme des ailes. Une hélice crée une portance, agissant horizontalement, qui attire l’avion en avant. Elle crée également une traînée.

Le pas de l’hélice : c’est la distance théorique parcourue par l’avion quand l’hélice a effectué un tour.

L’avance par tour : c’est la distance réellement parcourue par l’avion quand l’hélice a effectué un tour. L’avance par tour est toujours inférieure au pas théorique. La perte d’avance est dûe à la compressibilité de l’air.

Vitesse propre (m/s)

=             _________________

Tours/seconde

Le rendement de l’hélice : il se définit comme le rapport de la puissance restituée par la puissance finie. Il est de 0,7 à 0,8 pour les plus performantes.

Puissance restituée                                                      pas théorique

=             ________________                    =                             ____________

Puissance absorbée                                                      avance/tour

Calage : on appelle calage, l’angle formé par la corde de l’un des profils et le plan de rotation de l’hélice. Il varie en fonction du rayon de rotation. Par convention, on dira que le calage est celui du profil se situant à 70% du rayon maximum.

Pourquoi une pale est-elle vrillée ?

La forme vrillée de la pale s’explique par la différence de vitesse qui existe entre son extrémité et sa base. Cela permet d’avoir une force de traction sur toute sa longueur. La moitié interne de la pale de l’hélice tourne cependant moins vite que la moitié externe, et donc la 1ère moitié produit moins de traction que la 2nde. La partie proche du cône a donc essentiellement une fonction structurelle, elle contribue peu à la propulsion.

Lorsque l’angle est de faible valeur, on parle de « petit pas » ; au fur et à mesure que l’angle grandit, le pas s’agrandit.

En effet, on constate des différences de vitesse de rotation de l’hélice : elle est relativement faible près du cône, et augmente au fur et à mesure que l’on s’éloigne du cône.

Ex : pour un Cessna 185 : hélice de 2,13m de diamètre. La vitesse de rotation à 35 cm du cône est de 206 kt  lorsque l’hélice tourne à 2850 tr/min. A 70 cm de l’axe, elle a une vitesse de 412 kt et à l’extrêmité, elle est de 619 kt. (la vitesse du son étant de 660 kt, 619 kt représente 94% de la vitesse du son, soit Mach 0,94 : plus on approche du mur du son, plus le bruit est extrême, trainée excessive et possibilité de vibrations)


Le fonctionnement est identique à celui de l’aile d’avion : en vol chaque pale de l’hélice reçoit un vent relatif crée par la translation de l’avion et la rotation de l’hélice, ce vent génère sur la pale de l’hélice une résultante aérodynamique qui se décompose en portance et en traînée.

Les ingénieurs ont constaté que les pales les plus efficaces étaient celles qui avaient un fort allongement (comme les ailes): elles sont plus efficaces si elles sont longues et fines que courtes et épaisses. Mais pour augmenter la surface d’une hélice sans que la vitesse aux extrémités des pales soit excessive ou l’allongement trop grand, il suffit de rajouter des pales.

Avantages :

–          Augmentation de la surface de l’hélice (intéressant pour les moteurs puissants)

–          Vol plus doux

–          Diminution de la vitesse aux extrémités

–          Réduction du diamètre des pales

–          D’où réduction du bruit

Inconvénients :

–          Augmentation du poids

–          Du coût

–          De la maintenance

Dans le cas d’un vol stabilisé, la portance dirigée vers l’avant constitue la traction qui équilibre la traînée de l’avion et l’ensemble des forces résistantes de chaque pale constitue le couple résistant qui équilibre le couple moteur.

De même que pour une aile d’avion, la valeur et l’orientation de la résultante aérodynamique dépendent de l’angle

1 – Hélice à calage fixe

Sur ce type d’hélice, le calage est effectué au moment de la construction de l’avion ou bien au sol et ne varie plus en vol. Cette solution simple à mettre en œuvre présente deux inconvénients :

–          Le rendement n’est correct qu’à une vitesse donnée.

–          Le moteur subit des sous régimes et des sur régimes

Le pilote doit choisir entre une hélice pour la montée avec un pas moyen ou une hélice de croisière avec un grand pas. Le modèle petit pas favorise les performances de voltige et de montée au détriment de la vitesse de croisière.

(Pour faire le parallèle avec une boite de vitesse d’une voiture, c’est comme si le pilote devait choisir de rester ou bien  tt le temps en 1ère, ou bien tout le temps en 4ème ou 5ème.)

Son calage est choisi comme le compromis permettant des performances acceptables dans les différents régimes de vol.

La solution généralement adoptée consiste à caler l’hélice en utilisation intermédiaire.

2 –Hélice à calage variable

Pour optimiser les performances de l’avion, l’angle de la pale devrait changer avec la vitesse de déplacement. Pour gagner en efficacité, le pas de l’hélice doit être petit au décollage, moyen pour des vitesses modérées ou de montée, et grand pour le vol en croisière… d’où le dispositif d’hélice à calage variable.

Le pilote sélectionne un calage d’hélice par une commande à crans (commande que l’on peut comparer à celle de changement de vitesses d’une voiture).

Dans ce cas, l’hélice est équipée d’un mécanisme permettant de modifier son calage en vol, et d’un système régulateur qui assure une vitesse de rotation constante à la valeur choisie par le pilote

Ce système présente l’avantage de contrer les effets désastreux précédents :

–          Rendement correct sur toute la plage des vitesses de vol

–          Aucune surrégime ou sous-régime du moteur

Son principe d’utilisation est le suivant :

Phase de vol

Objectif Moteur Hélice Action pilote

Décollage

Accélération

maxi

Puissance

maxi

rendement

maxi

plein petit pas

+

plein gaz

Croisière

vitesse élevée

et

consommation faible

puissance

adaptée

rendement

maxi

Grand pas

+ Gaz et régime

selon prescription

du manuel de vol

Incident ou vol à voile

Rendement nul Drapeau

A l’atterrissage,

après le poser des roues

Rendement inverse Revers +

Réduction totale des gaz

Le système de réglage du pas depuis l’intérieur du cockpit peut être hydraulique, électrique ou encore mécanique.

3 – Souffle hélicoïdal

L’hélice possède une action supplémentaire nuisible, il s’agit du souffle hélicoïdal. En effet en arrière de l’hélice ( cas de l’hélice en traction ) l’écoulement de l’air est hélicoïdal. Cet effet est d’autant plus fort que le régime est fort et la vitesse faible ( cas du décollage )

Son influence sur les surfaces verticales tend à faire dévier l’avion et sur les surfaces horizontales à comprimer les amortisseurs.