Bonjour à tous ! Dans cet article, je vais vous expliquer le fonctionnement des moteurs à turbine à gaz aéronautiques (GTDA). J'essaierai de le faire dans un langage aussi simple et compréhensible que possible.
Les GTDA peuvent être classés en :
- moteurs à turboréacteurs (TRR)
- moteurs à turboréacteurs à double circuit (TRRDC)
- moteurs turbopropulseurs (TPP)
- moteurs turboval (TVaD)
De plus, les TRR et TRRDC peuvent contenir une chambre de postcombustion, auquel cas ils seront appelés TRRFP et TRRDCFP respectivement. Nous ne les aborderons pas dans cet article.
Commençons par les moteurs à turboréacteurs.
Moteurs à turboréacteurs
Ce type de moteur a été créé au cours de la première moitié du 20e siècle et a commencé à être largement utilisé à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Le premier avion de chasse à turboréacteur en série au monde était l'allemand Me.262. Les TRR ont été populaires jusqu'aux années 60, après quoi ils ont été progressivement remplacés par les TRRDC.
Photographie moderne du Me-262, prise en 2016
Le moteur à turboréacteur le plus simple comprend les éléments suivants :
- Dispositif d'admission
- Compresseur
- Chambre de combustion
- Turbine
- Buse de réaction (ci-après simplement buse)
On peut dire que c'est l'équipement minimal pour le fonctionnement normal du moteur.
Voyons maintenant à quoi sert chaque élément et pourquoi.
Le dispositif d'admission est un conduit élargi* dans lequel l'air est dirigé vers le compresseur et pré-comprimé. C'est là que l'énergie cinétique de l'air entrant est partiellement convertie en pression.
*ici et dans ce qui suit, nous parlerons des vitesses subsoniques. À vitesse supersonique, la physique change, et c'est tout autre chose.
Le compresseur est un dispositif dans lequel la pression de l'air augmente. Le compresseur peut être caractérisé par une grandeur appelée taux de compression. Dans les moteurs modernes, cette valeur dépasse déjà 40 unités. De plus, la température y augmente (peut atteindre environ 400 degrés Celsius).
La chambre de combustion est un dispositif dans lequel de l'air comprimé (après le compresseur) reçoit de la chaleur par la combustion de carburant. La température dans la chambre de combustion est très élevée, pouvant atteindre 2000 degrés Celsius. Vous pourriez penser que la pression du gaz dans la chambre augmente également fortement, mais ce n'est pas le cas. On suppose théoriquement que la chaleur est apportée à pression constante. En réalité, elle diminue légèrement en raison des pertes (problème de conception imparfaite).
La turbine est un appareil qui transforme une partie de l'énergie du gaz après la chambre de combustion en énergie pour entraîner le compresseur. Étant donné que les turbines ne sont pas utilisées uniquement dans l'aviation, on peut donner une définition plus générale : c'est un dispositif qui convertit l'énergie interne du fluide de travail (dans notre cas, le fluide de travail est le gaz) en travail mécanique sur un arbre. Comme vous l'avez compris, la turbine et le compresseur sont montés sur le même arbre et sont rigidement liés. Si la pression du gaz augmente dans le compresseur, dans la turbine, au contraire, elle diminue, ce qui signifie que le gaz se dilate.
La tuyère est un canal rétréci dans lequel se produit la conversion de l'énergie potentielle du gaz en énergie cinétique (le reste de l'énergie du gaz après la turbine). Comme dans la turbine, il y a une expansion du gaz dans la tuyère. Cela crée un jet qui, en sortant de la tuyère, propulse l'avion.
Nous avons clarifié les éléments principaux. Mais ce n'est toujours pas très clair comment cela fonctionne ? Alors, examinons cela encore une fois, brièvement.
L'air de l'atmosphère entre dans l'appareil d'entrée, où il est légèrement comprimé avant d'atteindre le compresseur. Dans le compresseur, la pression de l'air augmente encore plus, ainsi que la température. Après le compresseur, l'air entre dans la chambre de combustion où, en se mélangeant avec le carburant, il s'enflamme, entraînant une forte augmentation de la température à pression constante, en quelque sorte. Après la chambre de combustion, le gaz comprimé chaud va dans la turbine. Une partie de l'énergie du gaz est utilisée pour faire tourner le compresseur par la turbine (afin qu'il puisse effectuer sa fonction décrite ci-dessus), et l'autre partie de l'énergie est utilisée pour le mouvement de l'avion, car le gaz, après être passé par la turbine, se transforme en jet d'échappement à la buse et s'échappe dans l'atmosphère. Ainsi se termine le cycle. Bien sûr, en réalité, tous les processus du cycle se déroulent de manière continue.
Ce cycle est appelé cycle de Brayton, ou cycle thermodynamique à caractère continu du processus de travail et d'appoint de chaleur à pression constante. Tous les moteurs à turbine à gaz fonctionnent selon ce cycle.
Cycle de Brayton dans les coordonnées P-V
N-H — processus de compression dans l'appareil d'entrée
V-K — processus de compression dans le compresseur
K-G — apport de chaleur isobarique
G-T — processus d'expansion du gaz dans la turbine
G-S — processus d'expansion du gaz dans la buse
S-N — évacuation de chaleur isobarique dans l'atmosphère
Schéma de construction d'un moteur à réaction, où 0-0 — est l'axe du moteur
Le turboréacteur peut avoir deux arbres. Dans ce cas, le compresseur se compose d'un compresseur basse pression (CBP) et d'un compresseur haute pression (CHP), tandis que le travail est réalisé par la turbine basse pression (TBP) et la turbine haute pression (THP) respectivement. Ce schéma est plus avantageux d'un point de vue gazodynamique.
Un moteur de ce type en coupe
Nous avons examiné le principe de fonctionnement du schéma le plus simple d'un moteur à turbine à gaz aéronautique. Naturellement, sur les Airbus et Boeing modernes sont installés des turboréacteurs à double flux, dont la conception est nettement plus complexe, mais qui fonctionnent selon les mêmes lois. Examinons-les.
Moteur à réaction à double flux
Le TRDD se distingue principalement du TRD par le fait qu'il dispose de deux circuits : un circuit externe et un circuit interne. Le circuit interne contient les mêmes éléments que le TRD : un compresseur (divisé en KND et KVD), une chambre de combustion, une turbine (divisée en TVD et TND) et une tuyère. Le circuit externe est un canal avec une tuyère à son extrémité. Il n'y a pas de chambre de combustion ni de turbine dans ce circuit. Devant les deux circuits (juste après l'entrée du moteur) se trouve un étage de compresseur, qui fonctionne pour les deux circuits.
Ce n'est pas très clair, n'est-ce pas ? Comprenons comment cela fonctionne.
Représentation schématique d'un moteur à réaction à double flux et à double circuit.
L'air entrant dans le moteur, après avoir traversé le premier étage du compresseur basse pression, se divise en deux flux. Une partie de l'air passe par le circuit interne, où se déroulent les mêmes processus que ceux décrits lors de l'analyse du TRD. L'autre partie de l'air entre dans le circuit externe, obtenant de l'énergie du premier étage KND (celui qui fonctionne pour les deux circuits). Dans le circuit externe, l'énergie de l'air est consommée uniquement pour surmonter les pertes hydrauliques (due à la friction). À la fin, cet air pénètre dans la tuyère du circuit externe, créant une immense poussée. La poussée générée par le circuit externe peut représenter 80 % de la poussée totale du moteur.
L'une des caractéristiques les plus importantes du TRDD est le rapport de double circuit. Le rapport de double circuit est le rapport entre le débit d'air dans le circuit externe et le débit d'air dans le circuit interne. Ce chiffre peut être supérieur ou inférieur à un. Dans les moteurs modernes, ce chiffre dépasse 12.
Les moteurs ayant un rapport de double circuit supérieur à deux sont appelés moteurs à réaction à double flux, et le premier étage du compresseur (celui qui fonctionne pour les deux circuits) est appelé ventilateur.
TRDD de l'avion Boeing 757-200. Au premier plan, on peut voir l'entrée du moteur et le ventilateur.
Sur certains moteurs, le ventilateur est entraîné par une turbine distincte, qui est placée le plus près possible de la tuyère du circuit interne. Le moteur devient alors un moteur à trois axes. Par exemple, des moteurs comme le Rolls Royce RB211 (montés sur L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) sont conçus selon ce schéma.
Coupe transversale du D-18T de l'intérieur.
Le principal avantage des TPRD réside dans leur capacité à générer une grande poussée et une bonne efficacité, par rapport aux TRD.
Je voudrais terminer sur les TPRD et passer au type suivant de moteurs : les TVD.
Moteurs turbohélicoïdaux
Le moteur turbohélicoïdal, tout comme le turboréacteur, appartient aux moteurs à turbine à gaz. Il fonctionne presque comme un turboréacteur. Un moteur turbohélicoïdal élémentaire est composé des éléments déjà connus : compresseur, chambre de combustion, turbine et buse. S'y ajoutent un réducteur et une hélice.
Le principe de fonctionnement est similaire à celui du turboréacteur, à la différence que presque toute l'énergie des gaz est utilisée par la turbine pour faire tourner le compresseur et pour faire tourner l'hélice via le réducteur (dans ce cas, l'hélice et le réducteur sont sur le même arbre que le compresseur). L'hélice génère la plus grande part de la poussée. La partie restante de l'énergie, après la turbine, est dirigée vers la buse, créant une poussée réactive, mais elle est faible et peut représenter un dixième du total. Le réducteur dans ce schéma est nécessaire pour réduire la vitesse et transmettre le couple, car la turbine peut tourner à des vitesses très élevées, par exemple, 10 000 tours par minute, alors que l'hélice n'a besoin que de 1500. Et l'hélice est suffisamment lourde.
Schéma du TVD
Mais il existe aussi un autre schéma pour les moteurs turbohélicoïdaux : avec turbine libre.
L'idée est que derrière la turbine du compresseur se trouve une turbine séparée, qui n'est pas mécaniquement liée à la turbine du compresseur. Cette turbine est appelée turbine libre. La connexion entre la turbine du compresseur et la turbine libre est uniquement gasodynamique. De la turbine libre part un arbre séparé, sur lequel est installé un réducteur avec hélice. Tout le reste fonctionne comme dans le premier cas. La plupart des moteurs modernes sont construits selon ce schéma. Un des avantages de ce schéma est la possibilité d'utiliser le moteur au sol, comme unité de puissance auxiliaire (APU), sans faire tourner l'hélice.
Schéma du TVD avec turbine libre
Je tiens à souligner qu'il ne faut pas considérer les moteurs turbohélicoïdaux comme une relique inefficace du passé. J'ai entendu plusieurs fois de telles déclarations, mais elles sont inexactes.
Le moteur turbopropulseur offre dans certains cas un rendement maximum, généralement sur des avions à vitesses modérées (par exemple, à 500 km/h), tout en pouvant être de taille conséquente. Dans ce cas, le moteur turbopropulseur peut être plusieurs fois plus avantageux que le moteur à réaction précédemment évoqué.
Nous pouvons maintenant conclure sur les moteurs turbopropulseurs. Nous nous approchons doucement du concept de moteur turbosouffleur.
Moteur turbosouffleur
Il doit être que la plupart des lecteurs entendent ce terme pour la première fois. Ce type de moteur équipe les hélicoptères.
Le moteur turbosouffleur est très similaire au moteur turbopropulseur avec turbine libre. Il est également composé d'un compresseur, d'une chambre de combustion, d'une turbine de compresseur, puis d'une turbine libre, connectée à tout ce qui précède uniquement de manière gazodynamique. Cependant, ce moteur ne produit pas de poussée réactive, n'ayant pas de tuyère réactive, seulement un échappement. La turbine libre dispose de son propre arbre, qui est relié au réducteur principal de l'hélicoptère (du rotor principal). Oui, tous les hélicoptères connus de moi possèdent ce réducteur, et il est généralement assez imposant. La raison en est que la rotation du rotor principal d'un hélicoptère est très basse. Si pour un avion, comme je l'ai mentionné précédemment, cela peut atteindre 1500 tr/min, pour un hélicoptère, par exemple le Mi-8, cela ne fait que 193 tr/min.
En revanche, la rotation du moteur de l'hélicoptère est souvent très élevée (en raison de sa petite taille), et il faut parfois la réduire de plusieurs dizaines de fois. Il arrive que le réducteur soit présent à la fois sur le moteur et sur l'hélicoptère lui-même, comme sur le Mi-2 et son moteur GTD-350.
Schéma du moteur turbosouffleur
Moteur ТВ3-117 de l'hélicoptère Mi-8. À droite, vous pouvez voir le tuyau d'échappement et l'arbre d'entraînement
Ainsi, nous avons examiné quatre types de moteurs à turbine à gaz. J'espère que mon texte était clair et utile pour vous. Vous pouvez écrire toutes vos questions et commentaires ci-dessous.
Merci pour votre attention.
Source : habr.com
