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.