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.
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
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
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
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
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
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
‘entrée d’air Turbomoteur
- L’entrée d’air est généralement de section régulière et, ainsi,
elle n’assure pratiquement pas de transformation
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
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.
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.
La forme versus aérodynamique
* Entrée d’air sous
les ailes
– Faible distorsion
du flot d’air à
grand angle
d’attaque et en
glissage
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.
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
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
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.
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.
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).
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
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
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
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.
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
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) )
Critères de choix de la forme entrée d’air
- Positionnement sur l’appareil
- Vitesse de croisière
- Type d’utilisation de l’appareil
- 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.
- 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
- 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
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.
- 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
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
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
turbocompression
Les gaz d’échappement font tourner une roue à aubes
qui entraîne une seconde roue coaxiale, qui comprime l’air à l’admission
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)
3 types de compresseurs
1-Compresseur centrifuge:
simple étage
double étage
2-Compresseur Mixte
3-Compresseur axial:
axial simple corps
axial double corps
Les constituants des compresseurs centrifuges
rotor - ou rouet
stator - ou diffuseur radial
collecteur - ou diffuseur axial
- 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
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
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
Compresseur centrifuge e diffuseur axial (collecteur)/ Compressor manifold
- Redresse
l’écoulement - Amène l’air à la
chambre de
combustion
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
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
Type d’attache compresseur axial
attache marteau, attache pied de sapin, attache queue d’arronde
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
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
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.
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.
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 …
LE COMPRESSEUR AXIAL DOUBLE CORPS
LE MIXTE
(sur pt6) VOIR ET CONNAÎTRE IMAGE
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
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
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.
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
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
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
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).
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 …
Comment l’éviter d’un point de vue
mécanique LE DÉCROCHAGE DANS LE
COMPRESSEUR …
– Les bleeds valves
– Aubage directeur à incidence
variable
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.
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
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 …
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
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
Rôle de la chambre de combustion
- Permettre le mélange kérosène et oxygène de l’air
dans des conditions optimales - Permettre la transformation de l’énergie cinétique
en énergie calorifique - Brûler le mélange le plus efficacement possible
- Permettre ces opérations dans la totalité du
domaine de vol - 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
Rôle de la chambre de combustion
L’objectif est à atteindre tout en veillant à :
- Absence relative de baisse de pression des gaz qui
le traversent, - Efficacité de la combustion
- Maintien / Permanence de la flamme
- 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) - Bonne répartition des températures le long de la
veine des gaz.
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.
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.
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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
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.
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.
