turbine #2 Flashcards
but turbine
- La turbine a pour fonction de transformer l’énergie de
pression des gaz en sortie de la chambre de combustion
en énergie cinétique, puis en énergie mécanique afin
d’entrainer le FAN ou soufflante, le compresseur et les
différents équipements de servitude. L’énergie restante à
la sortie de la turbine participe à la poussée du réacteur
La turbine a pour rôle :
- D’entraîner le compresseur, les accessoires
- Dans le cas d’un turbopropulseur, l’hélice.
- Dans le cas d’une turbosoufflante, la soufflante
- Participer à la poussée
La turbine a pour rôle :Comment ?
En transformant l’énergie cinétique des gaz en
énergie mécanique.
– La turbine absorbe environ 75% de l’énergie
pour entraîner le compresseur.
– Le reste est consacrée à la poussée.
quatre éléments de base: turbine
Un carter
– Un stator
– Un carénage
– Un rotor
1 étage
Stator et Roto
Comme pour le
compresseur, un étage de
turbine se compose de
Stator
– Rotor (la roue)
Au travers des aubes fixes, la pression est
transformée en ?
Au travers des pales de la roue / rotor le
flux provoque ?
- Au travers des aubes fixes, la pression est
transformée en vitesse (convergent). - Au travers des pales de la roue / rotor le
flux provoque la rotation.
Le cheminement de l’air dans la turbine
- Le principe général est l’inverse du
compresseur. - La pression est transformée en vitesse
- Une partie de l’énergie cinétique est donc
transformée en énergie mécanique pour
faire tourner le rotor. - L’écoulement au travers des ailettes du rotor
entraîne la rotation
Le cheminement de l’air dans la turbine V1 V2.
La vitesse V1 à la
sortie de la chambre
de combustion est
déviée et accélérée
dans les aubes du
distributeur (stator)
pour devenir à la
sortie V2
Le cheminement de l’air dans la turbine V2 V3
- A l’entrée du rotor
la vitesse absolue
d’entrée V2 peut
être décomposée en
V3 vitesse relative
d’entrée et une
vitesse de rotation
Le cheminement de l’air dans la turbine V4 V5
- A la sortie du rotor
la vitesse absolue
de sortie V5 peut
aussi se décomposer
en V4 vitesse
relative de sortie et
une vitesse de
rotation.
Le stator (distributeur) fonctionnement
- Le stator est constitué par des
aubes directrices maintenues par un
anneau intérieur et un anneau extérieur - Dirige l’écoulement des gaz sortant de la chambre de
combustion sur les aubes de rotor de la turbine - Convertit une partie de l’énergie thermique
et de pression contenue dans les gaz
en énergie cinétique de façon à ce que les
gaz attaquent les aubes du rotor à la force voulue
Fonctionnement : Le rotor
- Les aubes de turbine sont
profilées de façon à extraire
le maximum d’énergie de
l’écoulement de gaz chauds - Le rotor sert à entraîner le
compresseur et les
accessoires
Les différentes turbines
* Deux grandes catégories de turbine :
– Turbine (partie rotor) à action
– Turbine (partie rotor) à réaction
Turbine à action
- Le travail de détente s’effectue
dans le stator. - L’énergie cinétique est transformée en énergie
mécanique afin d’entraîner le compresseur, le réducteur,
l’hélice ou la voilure tournante, ainsi que les accessoires
nécessaires au moteur. - L’action des gaz sur les pales de la
roue provoque la rotation. - La détente s’effectue dans le distributeur
- La roue de turbine absorbe simplement la
force requise pour changer la direction du
flux d’air et la convertir en un mouvement rotatif. - Turboprop et turbomoteur
- Canaux du stator fortement convergents
– Diminution de pression
– Augmentation de vitesse - Aucun changement entre l’entrée et la sortie du
rotor
– La pression à la sortie de
l’étage mobile est la même
qu’à l’entrée.
– Les gaz traversent le rotor à
vitesse constante
* Elles ont le meilleur
rendement.
* Cette catégorie ne sera pas employée pour les
appareils commerciaux
(Turbofan)
Turbine à réaction
- Les canaux rotor sont
convergents. - Le stator dirige
l’écoulement d’air vers le
rotor - La détente s’effectue
dans le rotor. - La résultante des forces
aérodynamiques sur le
profil entraîne la rotation.
(Création de portance) - Seule une “faible” partie de
l’énergie des gaz est détendue
afin de la récupérer sous forme
d’énergie mécanique, étant
donné que l’ensemble turbinecompresseur est moins “lourd” à
entraîner qu’un ensemble avec
hélice. - Le restant d’énergie sera récupéré
au niveau de la tuyère, sous
forme d’énergie cinétique, afin de
créer la poussée.
turbine combinée
– Les efforts moteurs doivent
être répartis également sur
chaque aube, de
l’emplanture à l’extrémité.
– Sinon, ca entraînerait des
vitesses et des pressions
non homogènes des gaz
– Les motoristes donnent
une forme mixte à chaque
aube de rotor : aube à
action à l’emplanture et
aube à réaction à
l’extrémité
Fabrication des rotors des turbines. une roue de turbine comprend quoi?
Une roue de turbine
comprend un disque
et des aubes
* Un acier spécial
contenant chrome,
nickel et cobalt pour
le disque
Réalisation technologique
- Détails des ailettes
- les aubes
- L’enveloppe
- Détails des ailettes
– Les aubes sont soit forgé ou moulé, en fonction de
leur alliage.
– Au début, les aubes étaient en acier forgé
– Aujourd’hui, la plupart des aubes de turbine
sont composée d’alliages à base de nickel moulé
Détails des ailettes ont maintenues sur le disque
par une fixation en pied de sapin - Permet le maintient de la fixation peut importe les différences de dilatation entre le disque et les aubes
- Les aubes sont lâches lorsque le moteur
est froid - L’aube est maintenue en place dans le
sens axial par:
– Des rivets
– Une plaque frein - Dans certaines turbines, les aubes sont reliées entre elles à
leur extrémité par une enveloppe périphérique - L’enveloppe sert à empêcher les pertes de pression au
extrémité et réduit les vibrations - L’avantage aérodynamique est de permettre l’utilisation d’ailette à profil mince
- Cependant, en raison du poids ajouté, les aubes de turbine
avec enveloppe sont plus sensibles au fluage**
Fluage définition
- C’est un phénomène physique provoquant la
déformation irréversible dans le temps d’un matériau
soumis à une contrainte.
– Ces déformations sont accentuées par le dépassement des limites
opérationnelles du moteur
– Il est de la plus grande importance de bien respecter les paramètres
de température et de régime fixés par le constructeur
Contraintes & Fluage
Température
pouvant atteindre
1500°C
Force centrifuge :
40 000 Rpm petit
moteur
Force centrifuge :
12 000 Rpm gros
moteur
- Pour une seule aube pesant 150 g dont le Centre
de Gravité est à 18’’ de l’axe la Force centrifuge
peut atteindre 10 tonnes à 12 000 t/mn
Déformation
des aubes de
turbines
Refroidissement
des aubes de
turbines
Allongement
Torsion
Changement de pas
Déformation
Réalisation technologique
* Fluage
– À cause des conditions
extrêmes, les aubes
peuvent facilement se
déformer en s’allongeant
ou en se tordant et en
changeant de pas
– Refroidissement des
aubes de turbines
Conception des turbines
système refroidissement
- Le stator Le système de
refroidissement peut varié d’un motoriste à un autre, mais le principe général reste le même.
*L’air provenant du compresseur Hp (environ 500 C°) pénètre à l’intérieur de l’aube puis s’échappe à travers des trous au
niveau du bord d’attaque et du bord de fuite - Certains constructeurs utilisent l’air de dilution
que nous avons évoqué dans la conception des
chambres de combustion - Des trous répartis sur cette cloison vont
refroidir la paroi interne de l’aube. - Après l’air s’échappe par des trous sur le bord
d’attaque afin de le refroidir.
Ces systèmes permettent le fonctionnement
dans un environnement thermique de 300 à
425° C au-dessus des limites de température
de leurs alliages.
D’autres systèmes de refroidissement
- L’air prélevé au niveau du compresseur (mi
parcours) passe dans l’arbre pour aller ventiler
l’arrière du disque turbine.
Les autres contraintes d’exploitation -
turbine
- Bonne résistance à la force centrifuge
- Résister à de très haute température
- Résister des pressions de charge élevées
- Résister à l’oxydation
- Opérer à des températures entre 537°C et
1094 °C (1000°F à 2000°F)
Les progrès
* Les produits utilisés :
– Les superalliages à base nickel utilisés pour les aubes de turbines
– Adjonction d’une couche faisant office de barrière thermique
– Les fibres céramiques sont encore en développement
* 1100°C à 1700°C
* Alternative aux aubes de turbine en métal
* En raison de la capacité de la céramique pour résister à des
températures élevées, 1100°C à 1700°C
* Fragiles
Amélioration du rendement
- À titre d’exemple, la température devant
turbine était
– En 1960 De 930°C
– 1975 De 1230°C
– 1978 Entre 1300 et 1500°C
– 2001 Supérieur à 1550°C - Dans le cas du Smecma M88-2, elle est de
1577°C
Thermocouples
Un thermocouple est un dispositif électrique constitué de deux
conducteurs électriques différents formant une jonction électrique.
* Les thermocouples sont largement utilisés comme capteurs de
température dans les moteurs à turbine à gaz.
* Évaluation des performances - pour calculer l’efficacité des compresseurs et des
turbines.
* Contrôle du moteur - la poussée de sortie d’un moteur peut être réglée par référence
à une température spécifique, par exemple la température d’entrée de la turbine. Des
limites de température sont mises en œuvre dans le contrôle du moteur pour éviter
d’endommager les composants.
* Surveillance de la santé des composants à haute température - l’historique de
température des composants peut être utilisé pour estimer leur durée de vie
résiduelle.
Indication temp
Plusieurs probes pour donner une moyenne et pour une
sécurité
* Même principe que EGT sur un moteur à piston, on
l’utilise pour ajuster le mélange (leaning the mixture)
réduire la quantité d’essence dans le cylindre pour une
combustion plus efficace
Une tuyère d’éjection Généralités
– Dans un turbomoteur :
– Dans un turboréacteur
– Dans un turbomoteur :
* Évacuer les gaz à la sortie de la turbine
– Dans un turboréacteur
* Évacuer les gaz chauds sous pression sortant des turbines en leur
communiquant le maximum de vitesse et obtenir le maximum de
poussée
* Convertir le maximum d’énergie de pression en énergie cinétique
pour augmenter la vitesse des gaz et ainsi augmenter la poussée
- C’est dans le canal d’éjection (Tuyère) qu’a lieu la détente
utile à la propulsion par transformation en vitesse de
l’énergie restante (pression et température) des gaz après
passage dans la turbine. La poussée du turboréacteur sera
d’autant plus forte que la vitesse d’éjection sera plus
grande. - La tuyère assure donc l’éjection des gaz brûlés et leur
retour à la pression ambiante pour que l’accélération du
flux qui en résulte génère la poussée du turboréacteur.
Buts de la tuyère
reaction, apu, propultion
*Le canal d’éjection a pour rôle principal d’achever la
transformation de l’énergie de pression en énergie
cinétique.
- Dans le cas d’unAPU, la forme est cylindrique et a
pour seul rôle de permettre l’évacuation des gaz d’échappement - Dans le cas d’un turboprop, l’évacuation
des gaz d’échappement produit moins de 10%
de la poussée
Description
* Une tuyère d’éjection se compose de :
–D’un cône de raccordement
– D’une rallonge recevant les sondes de températures et de
pression totale;
– D’une buse à section variable ou fixe .
* Variable = Post combustion
Les différentes sortes de tuyères
Il est acceptable de dire que pour convertir l’énergie de
pression restante en vitesse pour valoriser la poussée, il
faut utiliser un canal convergent, la tuyère.
- La tuyère est précédée
d’un carter
d’échappement. - Sur ce carter, on va
retrouver les capteurs et
sondes nécessaires à la
surveillance du moteur
(EGT).
Tuyère convergente sur simple flux
- La tuyère peut se
composer de deux
parties essentielles :
la rallonge et la buse
d’éjection. - Si la rallonge n’est
pas utile, elle est
supprimée et allège
l’ensemble - La section de cette
buse d’éjection
détermine la vitesse
des gaz d’éjection. - Le diamètre de cette
section est fixé au
moment de
fabrication. - Il existe également certains réacteurs munis de buses à
section variable s’ouvrant ou se fermant
automatiquement selon l’augmentation ou la
diminution du débit carburant.
TUYÈRE CONVERGENTE
(CONVERGENT NOZZLE) SUR
DOUBLE FLUX…
Les canaux d’éjection couramment utilisés
pour les turboréacteurs double-flux adaptés
au vol subsonique sont des canaux
d’éjection simplement convergents à
géométrie fixe.
* La poussée obtenue par
le flux chaud représente
pour un moteur de taux
de dilution d’environ 6,
au décollage, à peu près
25% de la poussée nette
totale.
* La détente du flux froid,
par exemple, pour un
moteur de taux de
dilution d’environ 6,
représente au décollage à
peu près 75% de la
poussée nette totale.
* Il existe deux types de tuyères utilisées sur les
moteurs double flux :
– La tuyère à flux non mélangés
– La tuyère à flux mélangés
La tuyère à flux mélangés
*Inconvénient: le poids du moteur
augmente.
* Avantages: Le mélange air
secondaire air froid /air
primaire air chaud, produira une
dilatation et une accélération du
flux secondaire afin d’optimiser la
poussée totale
* La poussée nette est légèrement
augmentée car le flux secondaire
est accéléré par friction
aérodynamique avec le flux
primaire plus rapide.
Postcombustion
- La postcombustion, est un système utilisé sur les
turboréacteurs équipant les avions militaires et certains
avions civils supersoniques pour augmenter la vitesse
d’éjection des gaz, ce qui conduit à une augmentation de
poussée, permettant d’élargir le domaine de vol - Le principe est d’injecter du kérosène après la turbine,
d’où le terme « post » dans le flux des gaz avant la sortie
par le col de tuyère du réacteur. La combustion de cet
apport de carburant se fait à l’aide de l’oxygène résiduel
encore présent après la combustion primaire. - Limite de température dans la chambre de combustion principale sont les
matériaux constituant l’étage de turbine. La poussée fournie par le turboréacteur
est proportionnelle à la vitesse d’éjection en sortie de tuyère qui est elle-même
limitée par la température en sortie de la turbine. - Pour augmenter la vitesse d’éjection entre la sortie de la turbine et la tuyère
d’éjection, on injecte du carburant dans le flux de gaz qui contient encore de
l’oxygène du fait de la dilution pour refroidissement dans le cas des moteurs
simple flux ou du fait dans les moteurs double flux que le flux secondaire n’a pas
participé à la combustion primaire. - Cet apport de puissance supplémentaire permet d’augmenter le domaine de vol
et de permettre des missions d’interception. Certaines possibilités comme le
décollage sur piste courte ou le dégagement en combat aérien sont possibles
grâce à cet équipement. Ce système de réchauffe a équipé à ce jour seulement
deux avions civils, le Concorde franco-britannique et le Tupolev Tu-144 russe. Il
reste que, même en étant rendu nécessaire par la limite métallurgique de la
turbine, il n’est utilisé que transitoirement, car c’est un gros consommateur de
carburant et il reste essentiellement la prérogative des avions de combat rapides
Postcombustion Avantages Inconvénients
Avantages:
* Moyen techniquement simple, car
sans pièces mécaniques mobiles
supplémentaire
* léger et exempte des contraintes
thermiques auxquelles sont soumises
les autres parties du moteur
* Il permet une augmentation de la
poussée [+ 50 %] d’un turboréacteur
sans modification de sa taille ni du
fonctionnement de son compresseur
* C’est un moyen nécessaire pour
atteindre les Mach élevés lorsque la
tuyère ne peut être adaptée en
permanence aux caractéristiques du
vol.
Inconvénients
* Pour les militaires, la « PC » présente une
signature infrarouge importante
* Augmente nettement la consommation
spécifique (CS) du moteur.
* Pour les civils, le bruit et la CS sont des
inconvénients majeurs.
* Enfin, l’apparente simplicité mécanique
n’écarte pas l’obligation d’avoir une tuyère à
section de col variable, afin d’éviter une
augmentation de la pression de sortie du
compresseur en amont de la réchauffe. Cette
augmentation de pression, appelée blocage
thermique, risquerait de faire décrocher le
compresseur.
Les différentes sortes de tuyères Pour la post-combustion
- Pour la post-combustion, la
tuyère doit être de section
variable
– Pour obtenir un gain de
poussée aux régimes plein
gaz sec et plein gaz avec
réchauffe.
– La section de sortie du flux
primaire et celle du flux total
varient en fonction de
l’ouverture plus ou moins
grande de volets primaires et
secondaires.
– Cette variation de l’ouverture
est obtenue à l’aide de vérins
TUYÈRE CONVERGENTEDIVERGENTE (CONVERGENT -
DIVERGENT NOZZLE)…
- Il est possible d’obtenir un surcroît de
poussée par l’utilisation d’une tuyère de
type convergente divergente, à la condition
toutefois que le poids supplémentaire
n’annule pas l’avantage procuré par
l’augmentation de poussée - La vitesse augmente à
mesure que le canal se
rétrécit jusqu’à ce qu’ils
atteindre la vitesse du son
à l’endroit le plus étroit où
les formes d’onde de choc
empêche une nouvelle
accélération. - Les gaz quittent le point le
plus étroit à la vitesse du
son mais sans onde de
choc / shock wave. - Avec la divergence du
conduit, l’accélération
continue jusqu’à des
vitesses supersoniques
Les tuyères vectorielles
- Au delà de leur
fonction d’éjection
des gaz, les
tuyères peuvent
participer à la
manœuvrabilité de
l’avion : le concept
F15 Active, le
X31, le F22 ou le
SU 27
Pour les aéronefs subsoniques et
transsoniques et pour la plus grande part des
aéronefs commerciaux, les tuyères seront:
- Pour les aéronefs équipés de la postcombustion:
des simples convergents fixes (tous les
doubles flux commerciaux ont des tuyères à
section fixe)
la tuyère primaire est
obligatoirement à section variable et toujours
convergente.
Inverseurs de poussée Pourquoi de tels dispositifs ?
- Quels systèmes intégrés aux systèmes
propulsifs permettent de diminuer les
distances d’atterrissage pour les appareils
équipés de turboréacteurs ? - Le poids des appareils augmente
régulièrement depuis 50 ans
– Les vitesses d’atterrissage élevée
* Faible traînée de la voilure
* Fuselage élancé
– Les distances d’atterrissage augmentent
– Le freinage aérodynamique n’est plus suffisant sur les
réacteurs
– Le freinage mécanique ne suffit plus
* Frein plus gros augmenterait le poids et l’encombrement
* Diminution de la charge utile (Payload)
* Piste mouillée ou verglacé
– Les freins s’échauffent, il est nécessaire de trouver une
solution
Les inverseurs de poussée type
- Freinage aérodynamique
- Parachute frein
- Filets
- Câble d’arrêt
- EMAS
- Hélice à pas variable (Pour les turboprops.)
- Inverseurs de poussée (Pour les turboréacteurs)
- Aérofrein – 3 types :
– Crée une turbulence aérodynamique servant à augmenter la
traînée.
– 3 types :
* Sur le fuselage :
* Sur le cône de queue :
* Sur les ailes (remplacés de plus en plus par des spoilers) Destructeur de
portance, agit sur la traînée et la portance
Parachute frein
- Logé dans un compartiment à l’arrière du
fuselage - Privilégié par les forces aériennes
- Se déploie à l’atterrissage ou lors de descente
d’urgence - Sujet à des dommages fréquents
- Doit être replié après chaque usage
- Le pilote ne peut pas doser la traînée appliquée
sur l’avion, il ne peut que le relâcher
Les filets
- Malgré des études concluantes du point de
vue de la sécurité, ces systèmes n’ont pas
fait l’objet d’un développement sur les
aérodromes civils, pour des raisons
principalement économiques liées à leur
maintenance.
EMAS
- Fin des années quatre-vingt-dix
– Développement par la FAA et la société ESCO d’un nouveau
système d’arrêt pour l’aviation civile, l’EMAS (engineered
material arresting system),
– Basé sur un lit de blocs en béton cellulaire friables qui
s’écrase sous le poids et l’énergie cinétique du train
d’atterrissage - Pour les avions de la catégorie transport en cas de
sortie en bout de piste. - Le lit d’un EMAS est conçu pour arrêter un avion qui
fait une sortie en bout de piste en exerçant sur le train
d’atterrissage des forces de décélération prévisibles
par la déformation du matériau dont est constitué
l’EMAS.
Les seules solutions pertinentes et exploitables à court
terme sont :
- Hélice à pas variable (Pour les turboprops)
- Inverseurs de poussée (Pour les turbojets)
- Le principe de l’inversion date de 1947
Hélice à pas variable
Le principe d’inversion de la poussée est
également applicable au turbopropulseur.
Pour y arriver, c’est l’hélice, plutôt que le flux
d’échappement du moteur qui produira
l’inversion de poussée
L’hélice parvient à
changer la direction de
la traction en
modifiant l’angle
d’incidence des pales.
Le système de contrôle du pas de l’hélice
permet à l’équipage d’inverser la poussée en
augmentant la pression d’huile à l’intérieur de
l’hélice.
Lorsque l’aéronef est en vol, les manettes de puissances se
trouve dans la plage vol et donc ces dernières contrôlent
l’arrivés du carburant et les manettes de l’hélice, la vitesse
de rotation par le biais de la pression d’huile envoyé à
l’hélice par le régulateur de l’hélice.
Les inverseurs de poussée
- Comme la manche à air et les capots moteurs les
inverseurs de poussée composent la nacelle. - Rôle :
–Diminuer la distance de freinage en
redirigeant vers l’avant au moins une
partie de la poussée générée par le
turboréacteur. - Comment :
– L’inverseur obstrue la tuyère d’éjection des gaz et
dirige le flux d’éjection du moteur vers l’avant de la
nacelle, générant de ce fait une contre-poussée qui
vient s’ajouter au freinage des roues de l’avion
- Les trois principaux types d’inverseurs de
poussée sont :
– L’inverseur à obstacle (ou à blocage
aérodynamique à mâchoires)
– L’inverseur à portes (ou à blocage mécanique
à déflecteurs)
– L’inverseur à grille
Les inverseurs à obstacles (Mécaniques)
- Généralement utilisé sur des turboréacteurs à double flux
mélangés et à un taux de dilution bas placés à l’arrière du
fuselage - Avantages :
– Efficacité de freinage supérieure aux inverseurs agissant
uniquement sur le flux secondaire pour un poids équivalent - Désavantages :
– L’installation sous la voilure entraine des contraintes de
températures et de souffle dues au jet dévié sur les gouvernes
– Seulement que 2 positions : ouvert, fermé - Fonctionnement
– Obstacle dans le jet des gaz éjectés à une distance
d’environ un diamètre de tuyère
– Déviation verticale, horizontale, selon la position du
moteur sur la cellule
– Deux portes articulées par deux vérins (un de chaque
côté du moteur) basculent vers l’intérieur de manière
à bloquer totalement la tuyère déviant ainsi le fluxd’air
Poussée inverse
* Cette inversion de
poussée peut
atteindre 50 % de la
poussée maximum
du réacteur.
L’inverseur à porte / déflecteurs * Avantages : * Désavantages :
- Des portes sont
découpées dans la
nacelle. En mode
direct, ces portes
sont fermées et
donnent à la nacelle
une forme identique
à celle qu’elle aurait
sans inverseur. - Utilisé sur des turboréacteurs à taux de dilution élevé
- Agit que sur le flux secondaire (froid).
- Avantages :
– Conception simple
– Adaptable à tout type de turboréacteur
– Plus léger que les autres systèmes
– Agit aussi comme un aérofrein - Désavantages :
– L’inversion ne se faisant que sur le flux
secondaire la contre-poussée devra être
importante pour annuler l’effet du flux
primaire qui n’est pas inversé
Les inverseurs à porte (Déflecteurs)
* Fonctionnement :
Fonctionnement :
– Portes pivotant autour de pivots fixes
– En position fermée, les portes constituent une partie
de la nacelle et le flux secondaire s’écoule
normalement.
– En position ouverte, la partie arrière de la porte
obture le flux secondaire (froid) et l’oblige à sortir par
l’orifice ainsi créé.
Les inverseurs à grilles * Avantages : * Désavantages :
- Solution la plus classique des inverseurs de poussée
- Avantages :
– Bonne souplesse dans le contrôle de la direction du flux
inversé - Désavantages :
– Complexité mécanique - Augmentation de masse importante
- Coût de maintenance élevé
Les inverseurs à grilles
* Fonctionnement
- Fonctionnement
– La partie arrière de la nacelle comporte un capot mobile
coulissant le long de rails
– En reculant, ils découvrent des grilles d’aubes de déviation
disposées dans l’épaisseur de la nacelle.
– Un système de bielles relie ce capot mobile à des panneaux de
blocage qui se déploient à l’intérieur du canal d’éjection et
bloquent la sortie en flux direct.
– Le flux ainsi dévié est éjecté à travers des grilles créant ainsi
une inversion de poussée
Qualités d’un inverseur de poussée
Pour un GTR
- Ne doit pas perturber l’exploitation du
moteur - Capable de supporter des températures
élevées - Être mécaniquement fort tout en restant
léger - Lorsqu’il n’est pas en usage, se rétracter
dans la nacelle pour éviter la traînée
Les exigences inverter
- Une fiabilité
- Un synchronisme exemplaire
- Une non-interférence avec le flux entrant
– Normalement fermé aux alentours de 50 kts - Garantir la contre-poussée nécessaire
- Orienter les jets inversés afin d’interdire:
– La ré-ingestion à l’intérieur des moteurs
– Les interactions avec toute autre partie de l’avion - Répondre au exigence de sécurité en cas d’utilisation
inhabituelle
– Décollage avorté
– Déploiement accidentelle
Dispositif de sécurité inverter
- Des dispositifs de sécurité intégrés à ces systèmes
empêchent d’activer la commande d’inversion de
poussée lorsque le moteur ne tourne pas au ralentie - Si l’inverseur n’est pas en position d’inversion maximale :
Il est impossible d’obtenir le maximum de puissance du
moteur
Inversion de poussée
Considérations pratiques
Une attention particulière doit être portée
pour prévenir l’ingestion de FOD et, dans le cas
des GTP, prévenir l’usure prématurée de
l’hélice en évitant d’inverser la poussée
lorsque l’aéronef n’est pas sur une surface
dure.
Il est également important de respecté les
délais de refroidissement exigés par le
motoriste suite à une forte utilisation de
l’inversion de poussée.
- Tant pour les GTR que les GTP, l’inversion de
poussée provoque un fonctionnement du
moteur à haut régime, donc haute
température. - Combinée à une utilisation à la toute fin du
vol, ceci peut résulté en un mauvais
refroidissement de la motorisation avant la
fermeture de cette dernière.
Le bruit
- Les bruits
correspondent à
l’ensemble des sons
produits par des
vibrations
perceptibles par
l’ouïe. - L’industrie
aéronautique
développe des moteurs
moins bruyants et plus
économes en
carburant, mais ces
progrès sont en partie
annulés par la forte et
régulière augmentation
du trafic. - Le bruit d’un réacteur provient essentiellement
des turbulences engendrées par le mélange des
gaz éjectés très chauds et animés d’un
mouvement rapide avec l’air ambiant froid et
immobile dans le voisinage des tuyères - Dans le voisinage immédiat de la tuyère, les gaz se
mélangent très peu et les turbulences dans cette région
produisent un bruit à haute fréquence. - À mesure que le jet de gaz ralenti, le mélange se fait
mieux, les turbulences prennent de l’ampleur et les
fréquences s’abaissent.
Le bruit * Problème crucial
– Zone résidentielle,
* Au sol, au décollage, à
l’atterrissage
– La limite d’endurance
de l’humain est de 130
Db
– Maximum 85Db pour 8
hrs de travail (CNESST)
– Le bruit max
* Lorsque l’avion à dépassé
de 45° l’observateur
- Deux sources de bruit distincte
– Bruit aérodynamique
– Bruit moteur
Bruit aérodynamique
Carlingue qui fend l’air à une vitesse élevée, des
volets, des becs, des aérofreins, et du train
d’atterrissage
– De nos jours, en phase d’atterrissage, ces bruits
deviennent aussi importants que les bruits des
moteurs
– Moins de 10% de tout le bruit
- Bruit moteur
Le moteur génère 3 types de bruit
* Le bruit de jet dû à l’éjection des gaz
* Le bruit des parties tournantes induit par les
interactions entre les aubes tournantes et les
différents conduits
* Le bruit de combustion
- Le bruit de jet est provoqué par les turbulences
lors de l’éjection des gaz chauds à haute
pression. - Le bruit de jet croit avec le diamètre de la
tuyère et de la vitesse d’écoulement du jet.
Les sources de bruits
* Les moteurs modernes à double flux de gaz
- Les moteurs modernes à double flux de gaz, à grand
diamètre et à basse vitesse d’éjection permettent de
réduire ce bruit
– Le flux secondaire refroidi l’écoulement
– La vitesse des gaz chaud est donc réduite
– Le flux secondaire contournant le générateur d’air chaud en
étouffe le bruit. - Plus la vitesse des gaz est lente, moins il y a de
bruit - La turbosoufflante est moins bruyante que le
turboréacteur
Minimiser le bruit
- De nouveaux concepts dans la conception des moteurs
ont été développés pour réduire la quantité de bruit
générée à la source. - Des méthodes pour supprimer et absorber une partie
du bruit émanant du moteur ont été trouvées. - Réglementer les opérations pour
minimiser l’impact du bruit sur les
communautés environnantes de
l’aéroport.
Évolution du bruit des avions
- En 30 ans, la recherche et les progrès technologiques
réalisés sur les moteurs ont permis de réduire d’un peu
plus de 20 décibels le bruit des avions à réaction. - Ainsi, un avion équipé de réacteurs conçus au début
des années 60 produisait un bruit équivalent à 125
Airbus A320.
Évolution du bruit des avions
- Tout d’abord, de nouvelles technologies de moteurs
apparurent :
– Les moteurs à double flux firent leur apparition dans les
années 1970. - Ensuite, les applications industrielles des technologies
de réductions sonores ont été mises en pratique sur les
avions à réactions. - Des panneaux de réduction acoustique ont été
installés sur les avions. - Les formes et les pièces des avions ont été
améliorées pour que la résistance à l’air soit de
plus en plus minime.
Restriction de vol de nuit
- Au cours de la période de nuit les types
d’avions les plus bruyants ne peuvent pas
décoller ou atterrir.
– Sauf dans les circonstances les plus
exceptionnelles.
Pendant la période de quotas de nuit les mouvements
d’autres types d’avions seront restreints quant à des
limites de mouvements et un quota de bruits, qui sont
établis en fonction de la saison.
Comment réduire le bruit
- Enlever les aubes de guidage
- Augmenter l’espace existant entre les aubes de guidage
d’entrée d’air et le premier étage de compresseur avant ou de la soufflante - Équiper le compresseur ou la soufflante de bon nombre
d’aube rotor et stator, même si cela risque d’affecter le rendement - Augmenter au maximum le taux de dilution de la
soufflante.
– Réduction de la vitesse des gaz - Garnir l’entrée d’air et le canal d’éjection de matériau insonorisant
- Mélanger les flux à
l’intérieur du moteur - Équipé Les
turboréacteur
d’atténuateur de bruit
Atténuateur de bruit * Rôle :
* Comment ?
- Rôle :
– Réduire le niveau sonore de 25 à 30 dB
– Changer la fréquence sans sacrifier la
poussée ni augmenter la masse du
moteur - Comment ?
– En altérant l’homogénéité des gaz à la sortie de la tuyère.
– En brisant le jet d’échappement en un grand nombre de jets
de petite dimension pour que la quantité relative de bruit à
basses fréquences soit réduite.
– Par des moyens mécaniques qui rendent le processus de
mélange d’air moins brutal.
Atténuateur de bruit
- Type à tuyau d’orgue
– Fractionne le flux d’échappement
primaire en plusieurs jet plus
mince
– Chaque jet provient d’une buse
individuelle autour de laquelle
circule l’air ambiant
– Augmenter le diamètre total pour
maintenir la poussée voulue
Atténuateur de bruit
* Type à contour de
marguerite
– Contour à plis ondulé
– Modifie la forme du
flux d’échappement
avant qu’il ne quitte le
moteur
– Provoque
l’entraînement de l’air
libre par les gaz éjecté
– Mélange plus rapide
Atténuateur de bruit
* Type à chevron
– Réduit le bruit d’environ
30%
– Création de vortex qui
améliore le mélange entre
les deux flux
– Développée en 1996
– Premier vol 2001
- Pourquoi rétablir la puissance ?
– Lorsque le débit massique diminue (Densité de l’air), la puissance diminue aussitôt
* Augmentation d’altitude,
* Augmentation de température
* Augmentation de puissance disponible ou
nécessaire :
– Au décollage
– En vol
Augmenter la puissance ! Au décollage En vol
Perte de puissance
Au décollage: En vol:
* Injection d’eau * Post-combustion
*APR
* Post-combustion
- Comment l’eau peut-elle augmenter la poussée ?
- Comment l’eau peut-elle augmenter la poussée ?– Dépendant de l’emplacement de l’injection
- 2 emplacements
– À l’avant du compresseur (Entrée d’air)
– Au niveau du diffuseur
L’injection d’eau
* À l’avant du compresseur
– Refroidissement de l’air en entrée
– Augmentation de la masse volumique
* Augmentation du débit massique
* Augmentation du taux de compression
L’injection d’eau
* Au niveau du diffuseur
– Augmentation de la masse volumique
– Refroidissement de l’air au niveau de la turbine– Donc
* Augmentation du débit carburant et rétablissement des
paramètres en sortie
* Masse Énergie Cinétique Pression dans la tuyère
* Poussée
L’injection d’eau
* Le circuit peut être opéré indépendamment
– À l’entrée du compresseur et le diffuseur
simultanément
– Seulement dans le diffuseur
* Utilisé dans des températures ambiantes plus basse* Risque de givrage éliminé
* Élimine les dépôts sur les aubes du compresseur
* Moins d’augmentation de poussée
L’injection d’eau généralité
- Eau distillée pour éviter les dépôts
- En utilisant de l’eau distillé, les nettoyages du compresseur et les réglages moteur sont moins fréquents
- Proportion de 1 à 5% maximum d’eau/air
L’injection d’eau
* Avantage : * Désavantage :
- Avantage :
– Abaissement de la température de fonctionnement du moteur
– Plus de poussée sans surchauffe - Gain en poussée 3 à 4%
- Désavantage :
– Nécessité d’embarquer un réservoir d’eau,
– L’eau peut geler, (Système de vidange)
– Ce qui fait que cette technique est utilisée de
manière limitée dans des situations particulières
L’APR
- L’APR (Automatic Performance Reserve) est
un système d’augmentation de puissance
passif, c’est-à-dire un système qui ne se met
en marche que s’il détecte une perte de
puissance sur un des moteurs de l’aéronef. - Ce système est donc utilisé uniquement en
situation anormale. - De plus, son activation est restreinte aux
phases du décollage. - L’APR réussi à augmenter la poussée
produite par un GTR ou GTP en augmentant
le débit de carburant acheminer au
moteur(s) en marche(s) - L’augmentation de poussée s’effectue
peut importe si la motorisation opère au
plein régime ou pas. - On tolère donc un faible dépassement
des paramètres moteur lorsque l’APR
est activé, pour permettre d’augmenter
la poussée dans une situation critique.
Le fonctionnement de l’APR repose sur un
système de détection de baisse de
poussée (régime moteur) et sur le système
de gestion du carburant (FCU).
Lorsque le système est armé, toute baisse
des paramètres moteur en dessous d’un
seuil pré établi entraine automatiquement
une augmentation du débit de carburant
sur le moteur toujours en fonction.
La post combustion
- L’air rejeté après le dernier étage de la turbine
contient encore une grande quantité d’oxygène, il
donc possible d’injecter du carburant supplémentaire
à cet endroit grâce à une nouvelle série d’injecteurs - Système utilisé par les avions supersoniques pour
augmenter temporairement la poussée fournie par
un turboréacteur ou turbosoufflante - Consiste à injecter et enflammer, à l’aide de brûleurs
auxiliaires, du kérosène derrière la turbine du
moteur, dans les gaz d’échappement du réacteur - Ce qui a pour conséquence une augmentation
importante de la poussée. - En contrepartie, la consommation de carburant
augmente de façon significative.
La post combustion
* Sur quel type de réacteur ? * Avantages * Désavantages * Quand
- Sur quel type de réacteur ?
– Tous Mono flux - turbojet - ou double flux - turbofan - à faible
taux de dilution
– Pour des phases ponctuelles - Avantages
– Augmentation très significative de la poussée nominale
– + 50% de poussée - Désavantages
– + 150% de FF (J79 50 UsG/min : 190 L/Min)
– Extrêmement bruyant
– Tuyère à section variable pour maîtriser la position du col - Quand
– Décollage
– Décollage sur une piste courte, (Porte-avions),
– Se sortir d’une situation délicate lors d’une mission militaire– Virage
La post combustion
* Fonctionnement
– Injection du kérosène, via un canal prolongeant la tuyère du
turboréacteur, dans les gaz d’échappement qui s’enflamment
alors spontanément sous l’effet de la chaleur ou ils sont
enflammés par un dispositif d’allumage.
– La température élevée des gaz, comprise entre 1500°C et
1700°C, favorise en effet la formation du mélange carburantgaz ainsi que son inflammation et sa combustion.
– Le fait de réchauffer l’air en sortie de réacteur permet
d’augmenter la vitesse de sortie des gaz, et donc la poussée
du réacteur
La post combustion
– Une perte minimale de poussée en fonctionnement
sec (dispositif supplémentaire)
Une commande de dosage efficace (pour une
bonne maîtrise)
– Une perte minimale de poussée en fonctionnement
sec (dispositif supplémentaire)
* Tout moteur subit une légère perte de poussée en
fonctionnement sec dû essentiellement à la présence
dans l’écoulement d’accroche flamme et de rampe
d’injection
– Une commande de dosage efficace (pour une
bonne maîtrise)
* Cette particularité est nécessaire pour que le pilote puisse
avoir un bon contrôle de la poussée lors du
fonctionnement avec PC
La post combustion
* Qualités d’un dispositif de réchauffe
– Un grand accroissement de température (qui est
possible)
* Les parois de la tuyère ne sont pas soumises aux mêmes
contraintes que les aubes de turbine et elles peuvent être plus facilement refroidies
* L’accroissement de température est essentiellement limité par la quantité d’air disponible
Composition de la post-combustion
1 - Une pompe de carburant de PC
entraîné par le moteur
2 - Un doseur de carburant de PC
(Afterburner fuelcontrol)
3 - Une vanne de pressurisation pour
limité les pressions d’injection
4 - Des buses de vaporisation (Rampe
d’injection)
5 - Un allume torche (Système
d’allumage)
6 - Des accroches flammes
7 - Une tuyère à section variable
8 - Un dispositif de conjugaison
mécanique et manométrique
- Relie la PC au doseur principal et
au manette de poussée
9 - Un revêtement acoustique interne
- Allume-torche
– Fonctionnement continue des allumeurs
– La combustion auto-entretenue n’est pas
possible pour certains systèmes.
Composition
* Allume-torche
– 3 types :
- Allume-torche
– 3 types : - L’allumage par courant chaud
– Une quantité additionnelle de carburant est injectée dans l’une des chambres de combustion
– Le courant de gaz très chaud enflamme le carburant de
postcombustion - L’allumage par torche
– Une ‘’pilot light’’ est installée dans le voisinage des rampes
d’injection (Four au gaz) – - L’allumage électrique
– Fonctionne comme une bougie d’allumage
ComposComposition
* Accroche-flamme
– Vitesse trop élevée pour une combustion stable (600 m/s à 900
m/s)
– Produit un tourbillon ou la vitesse locale des gaz est faible– Cercle concentrique en V, en C ou en U
Composition
* Revêtement acoustique
– Les phénomènes acoustiques en plus de produire un
bruit énorme, engendrent des vibrations, accélèrent letransfert de chaleur et fait monter la température
– Absorbe et amortit ces fluctuations qui entraineraient une
destruction rapide des éléments qui composent les dispositifs de PC
Tuyère à section variable
- Tous les moteurs à post-combustion doivent
être équipé d’une tuyère à section variable* Assure le bon fonctionnement avec ou sans
post-combustion - Actuateur pneumatique qui utilise du bleed air
du compresseur - Avec la PC la tuyère s’ouvre automatiquement
– Pour laisser le passage le plus grand possible* Évite un accroissement de la contre-pression– Compresseur stall
La post combustion militaire
Le SR71 vitesse de
Mach 3.2
– 2 P&W J58 afterburning turbo-ramjets,
– Poussée de 23,000lb
(102.3 kN) à sec
– 32,500lb (144.6 kN)
+41% avec PC* Les records :
– Mach 3.5
– 85 000
La post combustion civile
concorde
