Turboréacteur d'avion

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C'est une des prouesses techniques les plus grandes du 20e siècle que d'avoir permis aux avions d'être propulsés à des vitesses considérables, notamment au delà de la vitesse du son.

Le fonctionnement d'un turboréacteur d'avion paraît compliqué et mystérieux pour le public. Mais il n'en est rien, elle réalise une propulsion au même titre qu'une hélice, à ceci près qu'elle se sert également d'une réaction chimique de combustion pour récupérer l'énergie en partie pour faire tourner cette hélice et en partie pour éjecter des gaz à grande vitesse. Son fonctionnement est divisé en 4 parties :

On retrouve les mêmes étapes que le cycle du moteur automobile à 4 temps.

Il permet d'aller à des vitesses soniques, transoniques et supersoniques et est employée par l'aviation civile (comme sur l'A380 ou le B747) comme par l'aviation militaire (Rafale, F16...).

Un turboréacteur est une machine devenue de plus en plus complexe regroupant un grand nombre de sous-systèmes. Il existe à l'heure actuelle un grand nombre de réacteurs différents. De nos jours, c'est un secteur industriel très important de l'aéronautique et très dynamique et compétitif. C'est également un enjeu de défense militaire.

La fabrication et l'exploitation d'un turboréacteurs d'avion regroupe des sciences et techniques les plus en pointes de notre époque encore aujourd'hui :

Cette catégorie propose de faire le tour de ce qui a trait à cette formidable technologie.

Sommaire

[modifier] Présentation de la technologie et du fonctionnement

C’est un moteur à réaction qui fait avancer l’avion par réaction (par opposition à action) d'un gaz sur les parois du moteur.

C’est la variation de vitesse de l’air entre l’avant et l’arrière du réacteur, due aux différentes aubes et à la combustion, qui produit la force de poussée (Fp = Q *(Vs – Ve) est la formule simplifiée de la poussée, avec Q le débit masse de l’air admis, Vs la vitesse du gaz en sortie, Ve la vitesse du gaz en entrée). On peut le considérer comme un moteur à hélice grandement améliorée.

Il existe plus d'un type de turboréacteur, mais ils ont un fonctionnement commun.

[modifier] Principaux élements

Lot d'Ailettes et Aubes du moteur Olympus 593 du CONCORDE
Lot d'Ailettes et Aubes du moteur Olympus 593 du CONCORDE

Il existe des différentes architectures de turboréacteurs mais ils sont tous constitués :

  1. d’une entrée d’air (air inlet) ;
  2. d’une zone de compression comprenant une première roue, de grande taille, appelée soufflante (fan) puis plusieurs étages de compresseurs axiaux (compressors) montés sur un, deux ou trois arbres tournants, leur rôle étant d’augmenter la pression de l’air admis ;
  3. d’une chambre de combustion (combustion chamber) où air et carburant sont mélangés en présence d’une flamme permanente ; la combustion augmente brusquement la température et la pression des gaz ;
  4. d’une zone de détente des gaz, composée de plusieurs étages de turbines (turbine) montés sur le ou les arbres tournants de la partie compression, leur rôle étant de récupérer une partie du travail du gaz après la combustion pour faire tourner les roues des compresseurs à l’avant, cela diminue la pression des gaz ;
  5. d’une tuyère d’éjection (exhaust nozzle) qui, par une forme évasée, continue la détente et transforme l’énergie de pression en énergie cinétique avant d’éjecter le flux d’air.

ouai mais caca boudin

[modifier] Cycle thermodynamique

Il obéit au cycle de Joule et se compose comme suit: - Compression isentropique - Echauffement isobar - Détente isentropique - Refroidissement isobar

[modifier] Formules et rendement

[modifier] Sous-systèmes

  • Prélèvement d'énérgie sur un turboréacteur.

Pour fournir les équipements d'un véhicule aérien (systems électriques, pneumatiques etc.), il est courant de prélever cette énergie sur le moteur, source principale de puissance. Deux types d'extraction de puissance sont possible: - prélèvement de couple moteur - prélèvement d'air (appellé courrament 'bleed air') Ce prélèvement affecte directement le rendement et la caractéristique de fonctionnement du moteur.

  • Refroidissement

Les parois internes de la conduite des gaz sont refroidies en permanence pour permettre au matériaux de supporter la chaleur.

  • Maîtrise de la poussée instantanée

Le calculateur calcul un N1k, càd une poussée réduite affranchie de la température.

  • Contrôle acoustique

[modifier] Utilisation

[modifier] Motoristes

Principaux fabricants actuels de turboréacteurs appelés aussi motoristes :

Pour plus de renseignement, on peut consulter la liste des motoristes aéronautiques complète.

[modifier] Aviation civile

[modifier] Modèles

  • GE90-94B : 425 kN de poussée, sur B777

[modifier] Défense

[modifier] Historique

[modifier] Contraintes de fonctionnement

Les turboréacteurs sont des machines de conception très complexe qui doivent supporter des sollicitations thermiques, mécaniques, et vibratoires intenses et qui répondent à de fortes contraintes d’exploitation. Les turboréacteurs ont des dimensions très variables allant de quelques décimètres à plus de 2 m de diamètre, suivant les poussées nominales que l’on souhaite obtenir (plus de 500 kN pour les plus puissants).

[modifier] Température et résistance des matériaux

Les caractéristiques ne sont pas données de façon précise par les constructeurs mais on peut dire que les températures vont de 300 °C à 1800°C suivant les modèles.

De façon générale, c'est la turbine HP qui a les conditions les plus sévères et le compresseur BP est celui qui a les conditions les moins sévères. Les matériaux employés sont donc adaptés à chaque zone. Cela se retrouve dans les choix de matériaux des pièces mécaniques.

Pour le moteur Trent, les aubes de compresseur sont en titane et les aubes de turbines sont en superalliage à base de Nickel. La turbine haute pression, directement après la chambre de combustion est celle où les conditions sont les plus difficiles pour les matériaux et donc requiert en plus un revêtement céramique. [Source : Rolls Royce].

Les surfaces internes, notamment celles des aubes et carters, sont en plus protégées par des revêtements protecteurs afin augmenter la durée de vie des matériaux face à ce milieu très agressif (hautes températures, corrosion, oxydation, etc.).

Le développement des turboréacteurs durant le siècle dernier s’est fait surtout grâce à la maîtrise des matériaux qui composent la conduite des gaz car ce sont eux les plus fortement sollicités. Encore aujourd’hui il s’agit d’une des applications qui demande la plus haute technicité dans le domaine de la science des matériaux : pièces en titane, aubes en alliage monocristallin, refroidissement permanant des surfaces les plus chaudes, revêtements sur toutes les pièces en contacts avec le flux de gaz, traitements thermiques, etc. Le développement des matériaux

[modifier] Fiabilité

A titre d'exemple, le CFM56-2, un des moteurs les plus répandu, enregistre un temps de fonctionnement moyen sous l’aile de 18 000 heures ou 12 000 cycles avant la première dépose pour maintenance. Un nombre croissant de CFM56-3 enregistre plus de 30 000 heures de fonctionnement sans dépose, malgré des conditions d’exploitation très exigeantes. Ce moteur a ainsi établi de nouveaux standards de fiabilité pour l’aviation commerciale. (source SNECMA)

[modifier] Amélioration du rendement

Les motoristes tentent de réduire la consommation en kérosène, d'augmenter la poussée délivrée et de faciliter l'exploitation de leurs moteurs.

Afin d’augmenter les rendements des turboréacteurs d’avions, les constructeurs ont une comme solution de minimiser les fuites de gaz qui existent entre les parties fixes et les parties tournantes de la turbomachine. On trouve ces fuites à différents endroits et notamment entre l’extrémité d’une aube mobile et le stator. Pour les combattre, les ingénieurs ont recours à des joints d’étanchéité sans contact. Plusieurs technologies de joints existent en fonctions des caractéristiques du lieu où se trouvent ces fuites.

Icône de détail Article détaillé : Efficacité d'un turboréacteur.

[modifier] Problèmes environnementaux

  • Acoustique : on essaie d'améliorer autant l'acoustique de la nacelle que le bruit du moteur.
  • Pollution atmosphérique
Icône de détail Article détaillé : Aéroacoustique.
Icône de détail Article détaillé : Pollution aéronautique.


[modifier] Notes et références de l'article

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

[modifier] Liens et documents externes