Les turbopropulseurs       

 

Historique                                           

    A partir de 1939 aux U.S.A, J.Northrop pensa à utiliser un moyen différent du moteur à explosion pour faire tourner l’hélice. C’est ainsi qu’il commença une étude sur une turbine à gaz qui fournirait une force assez puissante pour actionner les hélices. Cependant quelques années plus tard, en 1944, le turboréacteur fut mis au point avec succès ; l’idée de la turbine à gaz fut donc oubliée au profit du turboréacteur pour alimenter l’hélice : le turbopropulseur était né.

    Le premier turbopropulseur à atteindre le banc d’essai était le Rolls Royce Trent en mars 1945. Ce moteur fut couramment utilisé dans les avions de ligne mais il a rapidement cédé la place aux turboréacteurs à simple flux, puis à double flux. Toutefois, il est encore employé dans les avions à capacité réduite ou dans les hélicoptères. (ci dessus: le porter avion de ligne pour courtes distances)

 

Composition

    Le turbopropulseur est constitué des mêmes composants que le turboréacteur avec certains organes supplémentaires.
Ce moteur possède donc :


 

    - Une entrée d’air (B) : ce conduit permet de convertir l’énergie cinétique de l’air en énergie de pression. Quand l’avion avance, l’air pénètre dans l’ouverture, ce qui apporte la quantité d’air requise au compresseur. Cependant la forme de ce conduit est importante, car il faut que l’air qui entre soit réparti uniformément dans le compresseur, de façon à éviter les turbulences. Il faut aussi étudier sa conception pour que l’entrée ne soit pas à l’origine d’une force de traînée.

    - Plusieurs compresseurs (C) : ils fournissent la quantité d’air maximale qui peut être chauffée dans l’espace de la chambre à combustion. Chaque compresseur est constitué de la même façon. Il est composé de disques mobiles avec des aubes appelées ROTOR, et de disques d’aubes fixes appelées STATOR. En tournant, les aubes du rotor aspirent l’air amené par le conduit, le flux ainsi créé est stabilisé à l’aide des aubes du stator. Les fonctions des compresseurs sont nombreuses, ils permettent le refroidissement des parties les plus chaudes du moteur, l’alimentation en carburant de la chambre à combustion, la pressurisation de joints d’étanchéité….. Comme dit précédemment, le moteur a divers compresseurs : un compresseur basse pression dont le rotor est de grande taille mais tourne lentement, un compresseur haute pression dont le rotor est de petite taille mais tourne à grande vitesse, un compresseur moyenne pression avec un rotor de taille et de vitesse intermédiaire.

    - Une chambre à combustion (D) : elle permet de transformer l’énergie chimique du carburant en énergie calorifique. Lorsque l’air compressé arrive dans la chambre à combustion, le carburant est injecté. La quantité de carburant ajoutée dépend de la quantité d’air qui arrive dans la chambre. Le mélange air/carburant s’enflamme, la chaleur créée produit une forte dilatation du mélange, ce qui aboutit à une grande force de poussée.

    - Une turbine (E) : elle permet de transformer l’énergie cinétique et thermique en énergie mécanique. La turbine est reliée aux compresseurs par un axe central, ainsi lorsque la turbine commence à tourner, grâce au mécanisme des gaz d’échappements qui frappent ses ailettes, les compresseurs tournent aussi.

    - Une tuyère (F) : elle convertit la pression des gaz en énergie cinétique. La forme doit être telle que la pression du gaz qui sort soit la plus faible possible. C’est pourquoi le tuyau doit être assez petit pour que la vitesse du gaz soit élevée.

    - Une hélice (A) : elle aussi est reliée à la turbine. Elle est donc entraînée avec la rotation de la turbine. Elle est placé en avant de l’entrée d’air et fournit la principale poussée.

    - Un réducteur (B) : étant donné que la vitesse de rotation (vitesse angulaire) de la turbine est trop rapide pour alimenter l’hélice, il faut donc un réducteur pour diminuer cette vitesse.

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Fonctionnement

    L’air pénètre par l’ouverture dans le moteur, il passe à travers les compresseurs et entre dans la chambre à combustion. A partir de là, le carburant est injecté ; ce mélange air/carburant est ensuite brûlé, ce qui provoque une augmentation de chaleur, la forte dilatation du produit augmente la pression et actionne la turbine.
Cette turbine entraine les compresseurs, ainsi que l’hélice. L’air entre plus vite dans la chambre et la turbine tourne de plus en plus vite. Enfin les gaz d’échappements qui possèdent une énergie résiduelle non récupérée par les ailettes des turbines procure une poussée supplémentaire qui s’additionne à celle fournie par l’hélice.

Avantages et inconvénients              

    Depuis 1920, la formation des ondes de choc sur les pales de l’hélice est connue. A Wright Field, des recherches avaient été menées sur des hélices tournant à grande vitesse. En effet, les scientifiques ont remarqué que la vitesse de l’air frappant les hélices est due non seulement à la vitesse angulaire des pales, mais aussi à la vitesse de l’avion. Ainsi, plus ces deux vitesses augmentent, plus l’extrémité des pales subit des ondes de choc transsoniques. A 800 km/h, le tiers de la longueur des pales est touché, ce qui diminue son efficacité de 50%.
C’est pourquoi le turbopropulseur n’est utilisé, de nos jours, que dans les avions ne dépassant pas la vitesse de 600 km/h, comme les avions de tourisme ou ceux à capacité réduite.
Ce moteur est également employé pour la propulsion des hélicoptères. Cet appareil est limité à une vitesse de 400 km/h, à cause du même phénomène, en effet, en position horizontale, les pales de l’hélice subissent plus de contraintes  

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