turbine#1 Flashcards
Les appareils à propulsion mixte
- 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
Limite de l`hélice
avantage inconvénient…
- 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.
Le principe de la
propulsion d’une
hélice vs La propulsion par turboréacteur
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)
Les turboréacteurs
* Définition
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
Calcul de poussée
- 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
Cycle thermodynamique
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.
Principe turbine
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
- Un réacteur est constitué de 5 parties?
- L’entrée d’air :
Permet à l’air extérieur de pénétrer dans le compresseur
- 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
- Le compresseur
- 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.
- La chambre à combustion
- 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
- La turbine
- 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.
- Le canal d’éjection
La variation des facteurs dans le réacteur
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
Cycle de Brayton
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
Les différents systèmes
Réacteur (dépend si hélice, pièce mobile
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
Simple flux (voir image)
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.
Simple corps
Les moteurs sont dits à simple corps
lorsque turbine et compresseur forment
un unique ensemble cinématique.
Double corps – double attelage
*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.
Double flux
- 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).
Principe du turboréacteur à double flux
Réacteur multi-corps e
- 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.
Principe de la postcombustion
comment et pourquoi?
- 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).
Principe de la turbosoufflante (voir image)
- 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.
Principe du turbopropulseur (voir image)
Avantage?
- 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
Principe du turbomoteur (turboshaft) (voir image)
- 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
Principe du Statoréacteur (voir image)
- 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.
Principe du Pulsoréacteur
avantage/desavantage
- 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 ;
Turbine Avantage Désavantage
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
Généralités Entrée d’air
- 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.