turbine#1 Flashcards

1
Q

Les appareils à propulsion mixte

A
  • Dans les premiers temps (milieu de la guerre)
    – Les réacteurs sont gourmands
    – Porté restreinte
    – La vitesse de pointe est importante
  • Versus les moteurs à piston
    – Économes et de principes connus et maîtrisés
  • La solution
    – Des appareils à propulsion mixtes
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2
Q

Limite de l`hélice
avantage inconvénient…

A
  • Vitesse inferieur a 750 km/h
  • Limite altitude. les hélices ont besoin
    d’air atmosphérique épais à « mordre ».
  • Le bruit peut être un inconvénient
  • Il y a quand même des avantages ,
    économe en carburant, moins couteux ,
    vole plus lentement et utilise des pistes
    plus courtes.
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3
Q

Le principe de la
propulsion d’une
hélice vs La propulsion par turboréacteur

A

Le principe de la
propulsion d’une
hélice repose sur
l’accélération
donnée à l’air en
traversant le plan
de l’hélice.

La propulsion par turboréacteur repose
elle, sur un cycle thermodynamique qui
accélère la masse d’air en quatre
phases :
1-compression 2-combustion 3-détente 4-éjection (Retour à la
position initiale)

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4
Q

Les turboréacteurs
* Définition

A

Turbine à gaz fournissant directement, par
éjection à grande vitesse de gaz chauds, la
poussée nécessaire à la propulsion

La variation de ses différents paramètres
lors du passage au travers du réacteur va
permettre de générer la poussée souhaitée.
* Pression, température et la vitesse

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5
Q

Calcul de poussée

A
  • F poussée = Qm x ( V sortie - V entrée)
  • Qm - débit massique de l`air passant
    dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable.
  • V entrée – vitesse entrée des gaz dans
    le compresseur en m/s
  • V sortie – vitesse de sortie des gaz de la
    tuyère en m/s
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6
Q

Cycle thermodynamique

A

Un cycle thermodynamique est une suite
de transformations successives qui part
d’un système thermodynamique dans un
état donné, le transforme et le ramène
finalement à son état initial, de manière à
pouvoir recommencer le cycle.
* Au cours du cycle, le système voit sa
température, sa pression ou d’autres
paramètres d’état varier, tandis qu’il
échange du travail et réalise un transfert
thermique avec l’extérieur.

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7
Q

Principe turbine

A

L’air pris à partir d’une ouverture dans la partie avant du
moteur est comprimé dans le compresseur.
* Du carburant est ajoutée à l’air et brûlé dans une chambre
de combustion pour augmenter la température du mélange
liquide à environ 1100 °C à 1500 °C.
* L’air chaud résultant est passé à travers une turbine, qui
entraîne le compresseur.
* Si la turbine et le compresseur sont efficaces, la pression
au refoulement de la turbine sera près de deux fois la
pression atmosphérique, et cette pression en excès est
envoyée à la buse pour produire un courant à haute
vitesse de gaz qui produit une poussée

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8
Q
  • Un réacteur est constitué de 5 parties?
A
  1. L’entrée d’air :
    Permet à l’air extérieur de pénétrer dans le compresseur
    1. Le compresseur
      Comprime cet air frais avant de le livrer à la chambre de
      combustion
      – Les fonctions du compresseur sont multiples puisque il devra,
      entre autres, permettre le refroidissement des parties les plus
      chaudes du moteur, la pressurisation des joints d’étanchéité,
      l’alimentation de la chambre de combustion en carburant
    1. La chambre à combustion
      – Le carburant est finement vaporisé et mélangé à l’air du
      compresseur.
      – Le mélange air-carburant est ensuite enflammé par un
      dispositif semblable à une bougie d’allumage
      – La combustion s’auto-entretient tant que le mélange est
      maintenu constant et que la pression est dans les limites
      convenables
      – La chaleur ainsi produite provoque une forte dilatation de ce
      mélange et aboutit à une très grande poussée.
    1. La turbine
      Son rôle est de fournir la puissance au compresseur
      – Absorbe la plus grande partie de l’énergie contenue dans le flux de gaz
      sortant de la chambre de combustion; (75%)
      – Utilise cette énergie pour entraîner le compresseur et les accessoires
      nécessaires à la gestion de l’appareil en vol
    1. Le canal d’éjection
      Permet la conversion de l’énergie thermique en énergie cinétique.
      – La tuyère crée la poussée en accélérant les gaz avant l’éjection du moteur
      – Elle doit avoir la forme requise pour que la pression des gaz à la sortie du moteur
      soit la plus faible possible mais qu’ils soient rejetés le plus rapidement possible.
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9
Q

La variation des facteurs dans le réacteur

A

La pression connaît :
– Une augmentation de
l’entrée d’air à la sortie du
compresseur;
– Une détente de la chambre
de combustion à la sortie
tuyère

  • La température
    connaît :
    – Une augmentation de
    l’entrée d’air à la chambre
    de combustion ;
    – Une détente de la
    chambre de combustion à
    la sortie tuyère
  • La vitesse connaît
    – Une régulation dans
    la manche d’entrée
    d’air;
    – Un maintien ou une
    légère réduction
    dans le
    compresseur;
    – Une augmentation
    dans la chambre de
    combustion et dans
    les étages turbines
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10
Q

Cycle de Brayton

A

Dans le compresseur
de 1 à 2
– La pression augmente
– Le volume diminue

Dans la chambre de
combustion de 2 à 3
– La pression reste
constante
– Le volume augmente
consécutivement à
l’augmentation de
température

  • Dans la turbine de 3 à 4
    – Les gaz se dilatent
    – La pression diminue
    – Le volume augmente
  • Dans l’air libre
    – La pression se
    stabilise
    – Le volume se stabilise
    – Le cycle peut se
    continuer
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11
Q

Les différents systèmes
Réacteur (dépend si hélice, pièce mobile

A

Avec turbine
Propulsion indirecte

Turboréacteur
(Turbojet)
Turbosoufflantes
(Turbofan)
Turbopropulseur
(Turboprop)
Turbomoteur
(Turboshaft)

Sans turbine
Propulsion directe

Tuyères
thermopropulsives:
Pulsoréacteur
Statoréacteur
(Ram-jet et Turbo ram-jet)
Superstatoréacteur
(Scram-jet)

Fusée:
Ergols liquides
Ergols solides

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12
Q

Simple flux (voir image)

A

Le réacteur est dit « à simple flux » lorsque la
totalité de l’air aspiré par le compresseur passe
par la chambre de combustion et la turbine.

Ce réacteur a deux inconvénients majeurs :
– Une consommation excessive de carburant,
– Un bruit très important dû à la vitesse d’éjection
supersonique des gaz brûlés et aux parties tournantes.

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13
Q

Simple corps

A

Les moteurs sont dits à simple corps
lorsque turbine et compresseur forment
un unique ensemble cinématique.

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14
Q

Double corps – double attelage

A

*Pour accroître l’efficacité, le compresseur a
été divisé en deux parties successives, à
basse et haute pression, mues désormais
par deux turbines successives haute et
basse pression.
* La vitesse de rotation des deux corps est
différente, nécessitant deux arbres
concentriques et donc des moteurs plus
longs et plus lourds.
* Le rendement est nettement amélioré.

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15
Q

Double flux

A
  • Le problème de forte consommation et de bruit excessif a
    pu être résolu en développant des réacteurs à double flux.
  • Dans un réacteur double flux :
    – Seule une partie de l’air entrant – le flux primaire ou flux chaud
    traverse la chambre de combustion et la turbine.
    – L’autre partie - le flux secondaire ou flux froid - est comprimée puis
    envoyée dans une tuyère commune aux deux flux ou éjectée dans
    une tuyère séparée.
  • Dans ce type de réacteur, la quantité de carburant nécessaire à la
    combustion du flux primaire est forcément moins importante
  • Le flux secondaire contournant le générateur d’air chaud étouffe le
    bruit.
  • Les réacteurs double-flux sont caractérisés par
    – Le taux de compression du flux secondaire,
    – Le taux de dilution : rapport du débit-masse d’air secondaire sur le débit- masse d’air primaire (de 0 – simple flux – à 5 ou 6).
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16
Q

Principe du turboréacteur à double flux
Réacteur multi-corps e

A
  • La compression et la détente dans la turbine peuvent se faire :
    – En une seule étape : le réacteur est monocorps, la turbine et le compresseur
    ne forment qu’une unique partie tournante,
    – En plusieurs étapes : le réacteur est double corps (2 étapes) ou triple corps
    (3 étapes).
  • Dans ce second cas, le flux entrant traverse un premier
    compresseur dit « basse pression » (compresseur BP).
  • Dans un réacteur à double flux, c’est à ce niveau que la
    séparation va se faire entre les deux flux primaires et secondaires.
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17
Q

Principe de la postcombustion
comment et pourquoi?

A
  • Pour augmenter la poussée d’un réacteur, on peut brûler un
    supplément de carburant dans les gaz d’échappement de la
    turbine, c’est le principe de la postcombustion.
  • Un avion supersonique a besoin de ce supplément de
    poussée au décollage et pour traverser la zone du transsonique (Mach=1).
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18
Q

Principe de la turbosoufflante (voir image)

A
  • Poussons la logique du réacteur double flux jusqu’au bout :
    – Augmentons le débit en agrandissant le premier étage du
    compresseur BP.
  • Le réacteur devient en fait le moteur qui entraîne une
    gigantesque hélice carénée qu’on appelle la soufflante (Fan).
  • Le générateur de gaz ne
    consomme qu’une petite partie
    de l’air brassé par le fan,
    environ 25%.
  • Le reste est rejeté autour du
    réacteur sans participer à la
    combustion.
  • Le jet considérablement ralenti
    par la turbine BP à plusieurs
    étages, ne procure que 25% de
    la poussée, tandis que 75% sont
    produits par le fan.
  • La consommation chute de
    façon importante.
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19
Q

Principe du turbopropulseur (voir image)
Avantage?

A
  • Ce type de moteur utilise le même principe que le
    turbofan sauf que le fan n’est plus caréné et prend la
    forme d’une hélice.
  • Un réducteur à pignon permet de passer d’une vitesse
    de rotation de turbine de l’ordre de 10 000 tours/min à
    celle d’une hélice limitée à 2 000 tours/min.
  • Vitesse constante
  • Pas de l’hélice variable
  • 10% de la puissance utilisé pour la poussée
  • STOL (Short Take-off and Landing aircraft)
  • Vitesse ≈ 400 Kts
  • Peut aller jusqu’à 500 Kts
  • Même vitesse que les petits turbofan
    – Consomme 1/3 de moins par passagers
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20
Q

Principe du turbomoteur (turboshaft) (voir image)

A
  • Le turbomoteur est composé d’une turbine à gaz
    identique à celle d’un turboréacteur simple flux sur
    laquelle a été rajoutée une turbine basse pression à un
    ou plusieurs étages qui entraîne par l’intermédiaire d’un
    réducteur les rotors de l’hélicoptère
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21
Q

Principe du Statoréacteur (voir image)

A
  • La forme la plus simple du moteur à réaction est le
    statoréacteur. Il n’a aucune partie mobile.
  • C’est un simple canal qui, s’il est placé dans un écoulement
    supersonique, réalise par sa forme appropriée, dans l’ordre :
    – Un ralentissement du flux et donc une compression des gaz (entrée
    d’air divergente) avec réchauffement,
    – Une inflammation spontanée du carburant injecté dans la chambre de
    combustion,
    – Une accélération-détente des gaz brûlés en sortie au travers d’une
    tuyère convergente.
  • Gros avantage du statoréacteur : plus il va vite plus il
    pousse.
  • En effet, plus il va vite plus les gaz sont comprimés à
    l’entrée et meilleur est le rendement.
  • Son gros inconvénient, il faut d’abord l’amener à une
    vitesse supersonique pour l’allumer et le faire fonctionner.
  • Il ne peut donc fonctionner pour la phase de décollage.
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22
Q

Principe du Pulsoréacteur
avantage/desavantage

A
  • Pour palier le problème de l’inefficacité en subsonique, les
    ingénieurs ont ajouté au statoréacteur un système à volets
    (clapets mobiles) en amont des injecteurs de carburant.
  • Ces clapets se ferment lorsque les gaz tentent de remonter
    vers l’avant et se rouvrent quand la pression chute en aval.
  • A condition de le lancer à une vitesse d’une dizaine de
    kilomètres à l’heure, on obtient à l’intérieur, un système
    d’ondes pulsées entretenues.
  • C’est un statoréacteur qui n’en finit pas d’avoir des ratés… il
    fait un bruit effrayant.
  • Il fut utilisé sur la bombe volante V1 pendant la seconde
    guerre mondiale.
  • Avantage :
    – Il peut, contrairement au statoréacteur, fonctionner à faible vitesse ;
    – Il a l’avantage d’être de construction relativement simple et peu
    coûteuse
  • Inconvénients :
    – Il faut une rampe de lancement pour que de l’air puisse rentrer dans
    la chambre de combustion au démarrage.
    – Il est très bruyant ;
    – Son rendement est médiocre ;
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23
Q

Turbine Avantage Désavantage

A

Avantage:
* Ration puissance vs poids
– Piston = .67 Shp/livre
– Turbine = 5.6 Shp/livre
* Moins d’entretien
* Crée moins de traînée
* Opération par temps froid
* Consommation d’huile moins
élévée
– Moins de poids
– Moins de coût

Désavantage:
* FOD
– Foreign object damage
* Température élevée
– Chambre à combustion la
température est proche du point
de fusion du métal
* Accélération plus lente
* Consommation d’essence élevé
– Quasiment ½ de plus
– Piston = 1 G/minute
– Turbine = 1.5 G/minute
* Prix d’achat beaucoup plus élevé

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24
Q

Généralités Entrée d’air

A
  • Elle contribue directement au fonctionnement général du
    moteur.
  • Elle doit donc être efficace quel que soit le régime moteur
    ,et quel que soit le domaine de vol de l’appareil.
  • C’est un conduit destiné à capter l’air et à l’amener dans les
    meilleures conditions possibles à l’entrée du compresseur.
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25
Le rôle de l’entrée d’air
* Un réacteur ne peut fournir sa poussée maximale que si l'entrée d'air lui amène la masse d'air requise à la pression maximale * Ce rôle doit être rempli en toutes circonstances – Altitude – Vitesse – Température – Assiette etc…. * Amener la masse d'air requise à la pression maximale au premier étage du compresseur; * Convertir l'énergie cinétique en énergie de pression; * Alimenter en air l’entrée du compresseur, – Avoir une taille adéquate pour assurer le débit requis * Répartition équilibrée des pressions à l’avant du compresseur; * Que la traînée soit la plus faible possible; * Que la couche limite soit le plus mince possible * Pouvoir transformer avec un rendement acceptable la vitesse de l'air à l'entrée de la manche (Mach 0,6 en général) en une vitesse satisfaisante pour l'entrée du compresseur (Mach 0,5 en fin de manche) * Effet de Giovanni Venturi * Subsonique simple divergent = diminuer la vitesse et augmenter la pression
26
Les contraintes entrée d'air
Être efficace dans toutes les plages de vol – Permettre au compresseur d’aspirer l’air à faible vitesse – À haute vitesse, permettre à l'aéronef de manœuvrer à de grand angle d'attaque et de « glisser » sans perturber le flux vers le compresseur. * Forme « continue » * Surface interne parfaitement lisse * Des distorsions importantes ont pour conséquence directe une perte de marge au pompage (stall) du turboréacteur * Traînée minimale en fonction de sa géométrie et de sa position sur l'avion
27
entrée d'air Turboréacteur
* Dans un turboréacteur, l'entrée d'air est à section de passage divergente, de façon à transformer l'énergie cinétique de l'air en pression. * La vitesse diminue et la pression augmente
28
Turbosoufflante avantage? la vitese? la pression?
* Situé à l’avant de l’avion, aspire de l’air non perturbé * Manche d’entrée d’air courte * Diminue la perte de pression * Vitesse diminue * La pression augmente
29
La forme de l’entrée d’air
* À vitesse nulle l'air se rapproche d'une multitude de directions: – Directement en avant, – Radialement – À l'arrière plan de la lèvre d'entrée. * À basse vitesse, le tube de courant qui s'approche de la lèvre est plus grand que la section de passage pour les lèvres * À des vitesses de vol élevées le tube de courant est plus petit, avec un excès d'air sur la lèvre. * Le rayonnage de la lèvre est très important pour optimiser la récupération de pression d'admission (et distorsion) tout au long de l'enveloppe de vol
30
entrée d'air Turboprop
* L'entrée d'air est en général située derrière l'hélice et, de ce fait, le souffle engendré par l’hélice améliore la captation de l'air
31
'entrée d'air Turbomoteur
* L'entrée d'air est généralement de section régulière et, ainsi, elle n'assure pratiquement pas de transformation
32
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air sous le nez de l'avion
– Pas de distorsion de l'écoulement de l'air à l'entrée – Mais une entrée d'air longue pour rejoindre les étages du compresseur ce qui induit une perte de pression, un poids élevé et un trop grand volume utilisé
33
La forme versus aérodynamique * Entrée d’air sous le fuselage
Maintien de l'efficacité au grand angle d'attaque – Mais un problème de conception pour positionner adéquatement le train avant, ce qui entraîne une augmentation de la traînée relative au logement du train avant. – Et un risque élevé d'ingestion de corps étrangers par aspiration lors des phases de roulage au sol.
34
La forme versus aérodynamique * Entrée d’air latérale
– Conduite courte pour rejoindre les étages du compresseur. – L'écoulement de l'air est relativement stable sauf lors des vols à grand angle d'attaque ce qui peut entraîner pour un mono turboréacteur des risques de décrochage du compresseur et une réelle instabilité dans cette zone de vol.
35
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air sous les ailes
– Faible distorsion du flot d'air à grand angle d'attaque et en glissage
36
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air au dessus du fuselage
– Ce positionnement limite les aspects négatifs d'un positionnement sous le fuselage – Devient problématique lors des vols à grand angle d'attaque, à cause des turbulences créées par le fuselage.
37
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air sur les ailes
– Forte distorsion lors des vols à grand angle d'attaque et en glissade. – Plus bruyant pour les passagers – Train d’atterrissage plus court
38
Entrée d'air au dessus du fuselage arrière
Réduction de la traînée liée à la sortie des gaz qui se situe en arrière du fuselage, – Conception délicat compte tenu de la nécessité d'une conduite en S
39
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air à l'emplanture de l'aile
– Perturbation de l'air par la proximité immédiate des ailes, – Entretien difficile des moteurs.
40
La forme versus aérodynamique * Entrée d'air à même le bord d'attaque
– Ce positionnement permet une diminution de la traînée, – Une difficulté pour l'entretien des moteurs – Une perturbation du flot d'air sur les ailes.
41
La forme de l’entrée d’air (Supersonique)
* Au-delà de Mach 1, les principes restent les mêmes, il est donc vital de concevoir des entrées d'air évoluant en supersonique et maintenant une vitesse de M0.6 au droit du 1er étage compresseur * Lors des vols en supersoniques, le passage d'un mach supérieur à 1 ne peut se faire qu'au travers d'une onde de choc afin d'amener la vitesse au droit du 1er étage compresseur à la valeur désirée par le motoriste (dans le cas du Concorde, cette vitesse était de M 0.4).
42
FOD
* Entrée d’air mais aussi entrée de tout ce qui peut physiquement passé par ce canal. – On parle alors de FOD ( Foreign Object Damage ) – Aussi de contamination de surface comme pour les surfaces portantes – Man suck into jet intake – Avion ingérant la neige au sol Sable et poussière Organismes vivants Glace Les corps étrangers * Turbo fan et turboréacteur sont les plus vulnérables * Turboprop sont moins vulnérables – Entrée d’air plus petite – Hélice
43
FOD 3 catégories d'impact d'oiseaux
Les oiseaux de petite taille sont généralement déchiquetés par les aubes mobiles (rotor) du premier étage, puis ils traversent le réacteur sans trop causer de dommages. * La même chose peut se produire avec des oiseaux plus gros, sauf que les aubes risquent alors de se déformer, au point de devoir être remplacées * Les dommages moteurs décrits précédemment peuvent également être causés par des collisions multiples de petits oiseaux d'un poids de deux à quatre onces. * Dans les cas plus graves, une ou plusieurs aubes peuvent se briser net, et les fragments peuvent être projetés vers l'avant, le côté ou l'arrière
44
Protéger la turbine des FOD
* Les essais d'impact avec les oiseaux s'effectuent à des vitesses aussi « basses » que 87,8 km/h mais qui peuvent aller jusqu'à Mach 1,4 (1 674 km/h). * Ces simulateurs lancent les projectiles par air comprimé
45
Protéger la turbine des FOD AU SOL
* Répulsifs auditifs Oiseaux * Répulsifs visuels – Oiseaux – Épouvantails, drapeaux et banderoles (recommandation limitée à court terme) – Reproductions de prédateur (recommandation limitée à court terme) – Cerfs-volants en forme de buse et ballons (recommandation limitée à court terme) * Les techniques de dispersion éloignent les oiseaux en les effarouchant au moyen de dispositifs visuels, comme des épouvantails, ou auditifs, comme les canons et les pièces pyrotechniques. * Il est essentiel d’essayer une combinaison de méthodes, ensemble ou tour à tour.
46
Protéger la turbine des FOD EN VOL
* Il a été démontré que l’emploi de rapaces dressés réussit à disperser certaines espèces d’oiseau, dans certaines situations et à certains aéroports. Cela dit, il s’agit d’une technique coûteuse et complexe et donc souvent impossible à employer
47
Protéger la turbine des FOD PAR CONCEPTION
* Des grilles d’entrée d’air, mais l'appareil doit évoluer hors de toute zone givrante car les grilles sont très sensibles au givrage. * Les filtres d’entrée d’air. * Les séparateurs de particule – Inertie (Inertial Particle Separators (IPS) )
48
Critères de choix de la forme entrée d'air
* Positionnement sur l’appareil * Vitesse de croisière * Type d’utilisation de l’appareil
49
* Les aubes de pré-rotation à incidence variable
– La variation de l’angle d’incidence des aubes de pré-rotation permet de modifier la direction des filets d'air avant qu'ils ne pénètrent dans le premier étage compresseur et donc de les présenter adéquatement. – Le principe de fonctionnement est identique : ils sont fermés à faible régime et ouverts à régime élevé. – Il s’agit de moduler l’angle d’attaque sur les premiers étages de de rotor.
50
* Séparateur de particule (Inertie)
* Séparateur de particule (Inertie) – Protéger le moteur contre l’ingestion de particules tels que roche, glace, sable, neige, pluie, etc. – PT6 – Quand l’utiliser * Condition de givrage * Sur piste non pavée * Utiliser lors de pluie forte
51
* La grille d’entrée réacteur
Protège le réacteur – Sensibles au givrage – Plus présent chez les appareils militaires ou les hélicoptères – Diffère selon les constructeurs – Utilisable uniquement à faible vitesse et à proximité du sol – Grille escamotable * Poids * Mécanisme bloquait – Turboréacteur et turbosoufflante n’en ont plus
52
Le piège à couche limite
Son objectif : * Limiter les perturbations au sein de l’entrée d’air consécutives à la présence de la couche limite * Cause des turbulences dans le flux d'air ingéré par le moteur * Réduit l’efficacité à cause de la faible vitesse de l'air au niveau de la couche. * Ce problème ne se pose pas lorsque l'entrée d'air est frontale (dans le nez de l'avion) ou que le réacteur est contenu dans une nacelle fixée sous les ailes (cas de la grande majorité des avions civils). * Par contre, lorsque l'entrée d'air est située le long du fuselage (cas des avions militaires surtout), elle est le plus souvent légèrement écartée de celui-ci pour être placée hors de la couche limite.
53
* La soufflante
– Assure la compression initiale de l'air entrant dans le réacteur, ce flux va être séparé en deux. – Flux secondaire ou flux froid contourne toute la partie chaude du réacteur. – Flux primaire ou flux chaud traverse tout le réacteur en passant par le compresseur basse pression, le compresseur haute pression, les chambres de combustion et les turbines haute pression et basse pression. – 2 emplacements possibles * Avant * Arrière – Ne contribue pas à la compression * La soufflante avant domine le marché des turbofan
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Le cycle de Brayton (voir image)
1: La pression augmente au travers du compresseur tandis que le volume se réduit 2 :Augmentation de la chaleur lors de la combustion 3: Travail utilisé pour entrainer le compresseur 4: Travail utilisable pour la poussée ou la BTP Évacuation de la chaleur
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que faut t'il pour que le compresseur fonctionne bien
* La poussée du turboréacteur dépend essentiellement du débit d'air entrant et de la vitesse d'éjection à la sortie de la tuyère – L'efficacité du cycle de combustion est donc d'autant plus grande que la pression de l'air est élevée – Un compresseur a un bon rendement s’il produit un fort accroissement de la pression avec une faible augmentation de la température * Participer à la poussée en permettant : – Un grand débit massique de gaz chaud – Et un rendement satisfaisant produisant un fort accroissement de la pression avec une faible augmentation de la température * par effet centrifuge dans un compresseur centrifuge * par diminution de volume et ralentissement du fluide dans les aubes fixes et mobiles d'un compresseur axial
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turbocompression
Les gaz d’échappement font tourner une roue à aubes qui entraîne une seconde roue coaxiale, qui comprime l’air à l’admission
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Turbosupercharger
L’ajout d’un compresseur pour suralimenter les plus gros moteurs de l’époque à permis d’atteindre un sommet de puissance Fonctionne avec le moteur (avec un cable)
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3 types de compresseurs
1-Compresseur centrifuge: simple étage double étage 2-Compresseur Mixte 3-Compresseur axial: axial simple corps axial double corps
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Les constituants des compresseurs centrifuges
rotor - ou rouet stator - ou diffuseur radial collecteur - ou diffuseur axial
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* Principe de fonctionnement Compresseur centrifuge
* Principe de fonctionnement – La rotation est assurée par la turbine – La force centrifuge est l’outil de compression – L’inertie complète le tout entre les blades, c'est divergent, donc permet la compression
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Compresseur centrifuge Le rotor (Impeller)
* La force centrifuge accélère le flux d'air * Entraîne l'air à partir du centre * Le refoule à sa périphérie sous l'effet de la force centrifuge
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Compresseur centrifuge Le diffuseur radial (stator)/ Diffuser
Récupère l’air en sortie du rotor * Réduit la vitesse * Augmente la pression * Redresse le flux * Dirige vers le collecteur
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Compresseur centrifuge e diffuseur axial (collecteur)/ Compressor manifold
* Redresse l’écoulement * Amène l’air à la chambre de combustion
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Avantages des compresseurs centrifuges Inconvénients des compresseurs centrifuges
Avantage: * Plus faciles à concevoir et à construire; * Plus résistants aux FOD – à l’ingestion des corps étrangers -; * Plus grande longévité; * Bon taux de compression pour un seul étage 4:1-5:1; * Plus léger que l’axial (Rendement égal); * Utiles pour les petits moteurs où la simplicité, la robustesse sont des qualités recherchées Desavantages: * Taux max. de compression vite atteint par la limite de vitesse périphérique * Changement de direction amène une perte d’énergie * Ne convient pas au gros moteur – On a besoin d’un taux de compression élevé pour une consommation faible
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LE COMPRESSEUR AXIAL SIMPLE CORPS LES PIÈCES CONSTITUANT UN COMPRESSEUR AXIAL (voir image)
* Un rotor: partie mobile * Un stator (aubes variables) partie fixe * L’ensemble forme un étage de compression * La section de passage de l'air dans un compresseur axial diminue de l'avant vers l'arrière * La compression augmentant d'un étage à un autre à mesure que le volume diminue. *La vitesse axiale d'écoulement est maintenue constante dans chaque étage compresseur. peut avoir plusieurs étages
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Type d'attache compresseur axial
attache marteau, attache pied de sapin, attache queue d'arronde
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Les aubes
* Ce qui est dit pour les ailettes est vrai pour les aubages du stator à l’exception des efforts centrifuges car elles sont fixes. – Aérodynamiques – Thermiques – Vibrations
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LE COMPRESSEUR AXIAL SIMPLE CORPS AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS …
Avantages * Un taux de compression pouvant être très élevé; – 8 pour un ensemble de 8 étages – 30 pour un ensemble de 17 étages * Une surface frontale réduite comparée au compresseur centrifuge compte tenu de la direction et du sens de l’écoulement qui est axial ; Des débits d’air importants (Rappel : la poussée est proportionnelle au débit d’air) – 1 m de diamètre pour un compresseur simple flux présentant un débit de 200 kg par seconde ; – 2,50 m de diamètre pour un compresseur basse pression (turbofan) présentant un débit de 700 kg par seconde ; * Qu’ils conviennent mieux pour la haute vitesse; Inconvénients * Taux de compression par étage relativement faible 1.3 à 1.4 par étage * Obtenu grâce aux qualités de fabrication des profils et au progrès en design aérodynamique * Sont fragiles; * Sont susceptibles d’être endommagé par des corps étrangers (FOD); * Présentent une fabrication complexe et onéreuse; * Une autre préoccupation est le poids. * Un taux de compression plus élevé implique un moteur plus lourd * Haute température
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LE TRAJET DE L'AIR : INTRODUCTION … Compresseur axial
* Le trajet de l'air dans un compresseur axial se fait entièrement dans l'axe du réacteur. L'air traverse une série d'aubes mobiles et d'aubes fixes concentriques. * Il est donc possible de définir un angle d’attaque de chaque élément d’ailette par rapport au vent relatif. * À l’inverse d’un profil d’avion, c’est le vent relatif qui aborde le profil avec un angle d’attaque (voir image) * Il sera donc nécessaire de faire varier l’incidence de l’ailette en fonction de son éloignement avec l’axe de rotation. * Variation de l’angle d’incidence entre le pied de l’ailette est son sommet. * Maintenir un travail relativement uniforme long de l’ailette. * Elles sont vrillées afin que les filets d'air présentent un angle d’attaque constant entre la tête de l'aube et son pied qui n'ont pas la même vitesse circonférentielle.
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Variation des paramètres Le rotor, Le redresseur (stator)
* Le rotor ( aubage mobile) aspire et accélère le flux d'air en le déviant par rapport à l'axe du moteur. Le redresseur (stator) qui suit, redresse le flux dans l'axe et le ralentit en transformant une partie de sa vitesse en pression. * L'augmentation du taux de compression pour un seul étage de compresseur axial d'un turboréacteur civil est de 1,3 à 1,4 en condition d'utilisation optimale.
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LE COMPRESSEUR AXIAL SIMPLE CORPS TRAJET EN VECTORIEL…
L’air est contraint de suivre les aubes de pré rotation * La vitesse périphérique de l’air est modifiée selon les aubes de pré rotation * La vitesse relative par rapport au rotor est déterminée par la vitesse relative du stator * Le cheminement de l’air dans le rotor – La vitesse augmente – La vitesse de l’air change de direction La vitesse de l’air change de direction dans le rotor avant de rencontrer le stator … * La vitesse de l’air change de direction et de valeur dans le stator avant de passer dans le nouvel étage compresseur …
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LE COMPRESSEUR AXIAL DOUBLE CORPS LE MIXTE
(sur pt6) VOIR ET CONNAÎTRE IMAGE
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LE COMPRESSEUR AXIAL DOUBLE CORPS CONCEPTION … (VOIR IMAGE)
* Un compresseur axial simple peut théoriquement comporter autant d'étages qu'il est nécessaire pour produire le taux de compression requis. * À certaines vitesses de rotation, les étages arrière du compresseur tourneraient inutilement alors que les étages avant auraient à fournir un effort exagéré, ce déséquilibre produisant le pompage du compresseur * Il serait alors nécessaire d'éliminer le pompage en évacuant une partie de l'air comprimé aux étages intermédiaires lors du fonctionnement à puissance partielle. * Il est beaucoup plus facile de séparer le compresseur en deux ensembles mécaniquement indépendants, pour obtenir la souplesse de fonctionnement nécessaire à la puissance partielle et au démarrage
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Compresseur HP vs BP
– Hp : * Plus léger * Aube plus courte * Air est plus chaud = Plus grande vitesse de rotation en bout de pale – La vitesse du son est plus grande plus la température est élevée * Le démarreur entraîne seulement que le compresseur HP * Le compresseur HP est commandé par un régulateur * Le compresseur BP tourne librement avec sa turbine
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Compresseur HP et vitesse du son
* Le compresseur haute pression a des aubes plus courtes. * Le compresseur haute pression chauffe l'air beaucoup plus que ne le fait le compresseur basse pression. * La vitesse du son est en effet d'autant plus grande que la température est élevée.
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LE COMPRESSEUR AXIAL DOUBLE CORPS LIMITE DU COMPRESSEUR HP …
* Lors du démarrage, le compresseur HP, qui est le plus léger, est le seul à être mis en rotation. * Le couple nécessaire au démarrage s'en trouve donc réduit, de même que le poids et la dimension du démarreur. * Le compresseur basse pression tourne librement avec sa turbine à la vitesse qui favorise un débit d'air optimal. * Les sections hautes et basses pressions du compresseur ajustent séparément leur régime lors du fonctionnement à puissance partielle
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Double corps versus monocorps
– Meilleure répartition des efforts. – Diminution des risques de pompage compresseur. – Plus facile à mettre en œuvre. * Démarrage plus facile * Accélérations et décélérations plus rapides * Poussée au ralenti plus faible (Seul le HP travaille) * Meilleur rendement de compression aux faibles régimes Contre : * Usinage et conception plus délica
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LE DÉCROCHAGE DANS LE COMPRESSEUR … Principe :
– Identique à celui d’un décrochage avion à basse vitesse – Manque d’air dans les derniers étages compresseurs – Les aubes du compresseur avant n’arrivent pas toujours à aspirer et à comprimer suffisamment d’air pour les derniers étages du compresseur
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LE DÉCROCHAGE DANS LE COMPRESSEUR … * Apparition :
– En haute altitude ou en situation de manque d’air (masquage de l’entrée d’air) – Demande de puissance trop violente - Si la vitesse de l'air (Va) traversant le réacteur augmente ou diminue mais non la vitesse de rotation du compresseur, * Il en sera de même de l'angle d'attaque des aubes. * Quand cet angle devient trop grand, les aubes décrochent … * L'air qui s'écoule devient alors instable. * Quand un nombre suffisant d'aubes de quelques roues décrochent, le compresseur pompe. * Les derniers étages manquent d'air. * Les aubes décrochent alors de la même manière qu'une aile d'avion volant à trop basse vitesse. * Le décrochage ne permet plus de pousser les gaz dans le bon sens, et la partie « haute pression » du compresseur (la sortie) se vide dans sa partie « basse pression » (l'entrée).
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LE DÉCROCHAGE DANS LE COMPRESSEUR … * Les conséquences :
– Augmentation de la température en sortie de la chambre de combustion, – Vibrations importantes pouvant amener la destruction totale ou partielle de plusieurs étages. – Bruits anormaux et violent, émission de flamme, ou extinction …
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Comment l’éviter d’un point de vue mécanique LE DÉCROCHAGE DANS LE COMPRESSEUR …
– Les bleeds valves – Aubage directeur à incidence variable
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LE POMPAGE COMPRESSEUR COMMENT LE RECONNAÎTRE ET L’ÉVITER ? …
* Les formes plus graves de pompage se produisent en vol, notamment à la suite : – D'une accélération commandée par un mouvement très brusque des manettes de poussée, – Lors de manœuvres de dérapage, – Dans des zones de fortes turbulences (qui rendent instable l'air à l'entrée du réacteur); * L'effet de pompage peut alors provoquer des bruits très forts et faire vibrer le réacteur. * Ce phénomène est dans la plupart des cas de courte durée; – Il disparaît de lui-même ou peut être corrigé en ramenant la manette de poussée au ralenti, puis par une lente remise des gaz.
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LE POMPAGE COMPRESSEUR LES MÉTHODES MÉCANIQUES POUR ÉVITER LE POMPAGE
* Il serait possible de construire un compresseur qui ne soit aucunement sujet au pompage, mais à la condition de réduire le taux de compression aux dépends du réacteur * Pour réduire davantage la tendance au pompage, ou peut notamment "décharger" le compresseur lors de certains stades de fonctionnement – En réduisant le taux de pression pour un débit d'air donné. – Une des méthodes utilisées à cette fin consiste à prélever pour l'évacuer une partie de l'air vers le milieu ou vers l'arrière du compresseur. * Dans les compresseurs axiaux doubles corps, cette prise d'air se fait souvent entre les sections basses et hautes pressions. * Les orifices de prélèvement sont situés dans la section compresseur. * Ils sont munis de vannes de décharge (bleed valves) automatiques qui s'ouvrent normalement à une plage donnée du régime du réacteur. Il est fréquent que les régimes d'ouverture ou de fermeture de ces vannes varient automatiquement en fonction de la température, de la pression à l'entrée du compresseur ou du taux de compression de celui-ci. * Le pompage aura de forte chance de se produire lors d'accélération brutale et donc d'une demande trop importante dans des délais très court: – Au décollage – À la remise des gaz en finale
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LE POMPAGE COMPRESSEUR LES CONSÉQUENCES DU POMPAGE
* Augmentation de la température en sortie de la chambre de combustion, augmentation pouvant engendrer un endommagement des premiers étages turbine . * Vibrations importantes pouvant amener la destruction totale ou partielle de plusieurs étages. * Bruits anormaux et violent, émission de flamme, ou extinction …
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Les prélèvements pneumatiques (bleed port) avantage et desavantage
Pour réaliser * Le dégivrage (du cône d'entrée d'air, de la manche d'entrée d'air et des aubes de guidage du compresseur, le dégivrage des ailes,) * Le chauffage, l’air climatisé et la pressurisation, * La mise en marche des autres réacteurs, etc. Mais présentent des désavantages : * Réduisent la masse d’air qui parvient aux chambres de combustion * Diminuent la poussée * Augmentent la consommation spécifique de carburant
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Du compresseur à la chambre de combustion
* Le diffuseur à un diamètre interne croissant * Diminution de la vitesse, augmentation de la pression * L’air entrant à trop grande vitesse pourrait éteindre le feu
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Rôle de la chambre de combustion
1. Permettre le mélange kérosène et oxygène de l'air dans des conditions optimales 2. Permettre la transformation de l'énergie cinétique en énergie calorifique 3. Brûler le mélange le plus efficacement possible 4. Permettre ces opérations dans la totalité du domaine de vol 5. Être conçues de manière à ce que la température des gaz d'éjection n'excède pas la limite permise au niveau du 1er étage turbine
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Rôle de la chambre de combustion L’objectif est à atteindre tout en veillant à :
1. Absence relative de baisse de pression des gaz qui le traversent, 2. Efficacité de la combustion 3. Maintien / Permanence de la flamme 4. Combustion complète lorsque les gaz franchissent l'orifice de la chambre, * (Toute la combustion doit se produire à l’intérieur de la chambre de combustion) 5. Bonne répartition des températures le long de la veine des gaz.
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chambre de combustion L'air doit traverser à quelle vitesse
L'air doit traverser la chambre à vitesse relativement faible, moins de 100 m/s. Afin d'éviter un soufflage de la flamme l'écoulement est ralenti à des vitesses compatibles avec la combustion. Pour ce faire la chambre est raccordée au compresseur situé en amont par un divergent.
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Description sommaire chambre de combustion (voir image)
* Un carter de raccordement entre la sortie compresseur – après le diffuseur – dans lequel se situent les injecteurs de carburant * Selon le type de chambre de combustion, un ou plusieurs tubes à flamme * Une enveloppe externe et interne. * Un ensemble d’ailettes de tourbillonnement (Swirl vanes) qui donnent un mouvement radial et ralentissent l’air * Un système d’allumage * Un système de drainage du carburant pour évacuer le carburant non brûlé après l'arrêt du moteur * Un carter de raccordement au premier étage turbine.
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Rôle de la chambre de combustion * La combustion se déroule en 2 étapes:
– Assurer un mélange air/essence adéquat 15:1 – Assurer le refroidissement de la chambre de combustion * Assurer le centrage et la stabilité de la flamme, afin que celle-ci ne touche en aucun cas le tube – 25% de l’air est utilisé pour la combustion – 75% de l’air est utilisé pour le refroidissement
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Qualités requises d’une bonne chambre de combustion
* Un fonctionnement stable – La flamme ne doit pas s’éteindre – La combustion doit être la plus complète possible, indépendamment de la phase du vol * Des pertes de pressions faibles – Des pertes élevées de pression réduisent la poussée et augmentent la consommation spécifique * Une répartition uniforme des températures – La température à l’entrée de la turbine doit être le plus proche possible de la température limite des matériaux * Un démarrage facile – Des pressions basses et des vitesses élevées rendent les démarrages difficiles. – Une chambre bien conçue permet des redémarrages faciles en vol *Une petite taille – Plus gros = plus de traîné et plus de poids * Une faible émission de fumée – Diminue la pollution – La fumée dégagée par les moteurs rend un avion militaire plus facile à détecter *Une formation minimale de carbone – Les dépôts de carbone peuvent obstruer certains orifices de passage d’air et perturber l’écoulement le long des parois – Point chaud qui développe de l'usure prématuré et des fissures.
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LES 3 TYPES DE CHAMBRE DE COMBUSTION CHAMBRES INDIVIDUELLES (SÉPARÉES) OU TUBULAIRES MULTIPLES
* À la sortie du diffuseur, l'air est distribué par des canalisations séparées aux diverses chambres de combustion à la périphérie de la section de combustion. * Chaque chambre comporte un injecteur et un tube à flamme. * Chaque flux d'air destiné à un tube à flamme se sépare en deux flux. * Une fois le processus de combustion complété, les veines d'air chaud en provenance de toutes les chambres convergent aussitôt vers la turbine, située en aval. * C'est à cet endroit que le débit d'air secondaire, qui avait contourné les injecteurs, se mélange aux gaz et les refroidit à une température tolérable pour les turbines.
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Chambre individuelle avantage
* Furent les premières utilisées car d'une conception plus aisée de par les dimensions des tubes à flamme; * Sont d'un entretien plus facile en cas de panne d'un tube à flamme * Sont surtout utilisées sur les réacteurs à compresseur centrifuge
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LES 3 TYPES DE CHAMBRE DE COMBUSTION CHAMBRE ANNULAIRE
* Certains réacteurs à compresseur axial sont munis d'une chambre de combustion unique de forme annulaire. * Le tube à flamme de ce type de chambre se compose de deux parois continues et circulaires, l'une intérieure et l'autre extérieure, * Le tube à flamme de ce type de chambre se compose de deux parois continues et circulaires, l'une intérieure et l'autre extérieure, – Disposées autour de l'enveloppe de l'arbre d'entraînement du compresseur. * Par des trous percés dans ces parois, l'air de refroidissement secondaire parvient au centre de la chambre de combustion.
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Les chambres annulaires avantage
* Présentent l'avantage de n'occuper qu'un espace restreint * Possèdent un meilleur rendement que les chambres tubulaires en utilisant au mieux le volume disponible, * Sont délicates à mettre au point, * Gèrent mieux le refroidissement des gaz grâce à un rapport entre la surface de la paroi intérieure de la chambre de combustion et son volume amélioré, * Présentent toutefois l'inconvénient notable, de nécessiter la dépose complète du réacteur en vue du changement de la paroi intérieure de la chambre de combustion. * À cause des hautes températures qu'ils subissent, tous les types de tubes à flamme ont une durée utile réduite par rapport aux autres éléments du réacteur; * Elles nécessitent de fréquentes inspections et doivent être souvent remplacés.
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LES 3 TYPES DE CHAMBRE DE COMBUSTION CHAMBRE TUBO-ANNULAIRE (MIXTE)
*Elle consiste en un compromis entre les deux modèles précédents. * Les tubes à flamme sont de petites dimension et réunis entre eux par des tubes d'intercommunication enfermés dans une enveloppe concentriques et communes tant en externe qu'en interne.
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Chambres individuelles (séparées) ou tubulaires multiples Avantages/inconvénients
Avantages: * Facilité de mise au point * Facilité d'intervention * Combustion facile à contrôler inconvénients: * Lourdes * Encombrantes * Carter résistant pour liaison compresseur turbine
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Chambre annulaire Avantages/inconvénients
Avantages: * Légères * Rapport puissance / volume important * Carters contribuent à la rigidité de l'ensemble inconvénients: * Difficultés d'intervention * Difficultés de mise au point * Très dispendieuse
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Chambre tuboannulaire (mixte) Avantages/inconvénients
Avantages * Facilité de mise au point * Changement tube à flamme unitaire * Combustion facile à contrôler * Carter extérieur participe à la rigidité inconvénients * Difficultés d'intervention * Plus lourdes que l'annulaire
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Température du foyer de combustion
* Elle doit être aussi élevée que possible pour obtenir un rayonnement intense. * Or, cette température dépend de la richesse du mélange et elle est d'autant plus élevée que le mélange est riche… * Si le mélange est riche, les émissions de polluants et d'imbrûlés augmentent; * Si la température est trop forte, il y a risque de contrainte thermique sur les constituants de la chambre et sur la turbine. * Par compromis, le constructeur est amené à contrôler la richesse du mélange dans des proportions acceptables et de protéger les pièces avoisinant la flamme, ce qui nécessite: – La protection de la chambre de combustion par des écoulements d'air tangents à la chambre; – La protection de la turbine par refroidissement des gaz de combustion avant turbine, en les mélangeant avec le débit d'air de dilution.
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La combustion doit permettre :
– L’auto-entretien de la combustion - la seule phase d'allumage ayant lieu lors du démarrage – La combustion dans des délais très courts compte tenu du débit d'air; – La répartition thermique la plus uniforme possible.
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La stabilité de la flamme dépend de
* La pression ( ou température ) en sortie du compresseur. – Le mélange ne pourra s'enflammer que pour des paramètres de richesse et de pression en sortie compresseur * La vitesse de l'écoulement qui doit être inférieure à la vitesse de propagation de la flamme . * Ce paramètre est réglé par le constructeur lors de la fabrication du réacteur
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Les matériaux la chambre de combustion
* Ceux qui sont utilisés en aéronautique sont les superalliages à base de nickel et de chrome. Ils satisfont plus ou moins les exigences suivantes : – Une bonne résistance au fluage à température aussi élevée que possible – Une bonne résistance à la corrosion par les gaz de combustion – Une stabilité à chaud de la structure et l’absence d’une fragilité excessive – Des facilités de fabrication : bonne forgeabilité pour les alliages forgés et bonne coulabilité pour les aciers moulés – Une bonne soudabilité et une facilité de réparation lorsqu’il s’agit de tôles qui servent à la préparation d’ensembles chaudronnés.
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Un carburant aéronautique doit avoir les caractéristiques suivantes :
* Fort pouvoir calorifique par unité de masse pour favoriser l'autonomie de vol * Forte masse volumique pour diminuer le volume des réservoirs à masse donnée * Faible inflammabilité aux conditions de température et de pression d'emploi, pour augmenter la sécurité * Bon pouvoir lubrifiant pour garantir une bonne durée de vie des pompes et différents organes traversés par le carburant ; * Prix compatible avec l'économie du transport aérien pour le civil. Aujourd'hui c'est un hydrocarbure insaturé, le kérosène, qui répond le mieux à tous ces critères. Jet A Jet B etc …. Caractéristiques principales de température -le point de congélation -le point éclair (inflammation en présence d'une étincelle). Certains additifs améliorent les qualités de ces carburants tels que : *antioxydant et désactivant de métaux *inhibiteurs de corrosion *anti-givrage *dissipateur d'électricité statique.