Les turboréacteurs

Histoire

    La possibilité de mettre au point des moteurs entièrement nouveaux afin de propulser les avions par « réaction », en créant une poussée d’air plus efficace que l’hélice a été évoquée dès 1927

    Plusieurs ingénieurs anglais français et américains développent le principe. Le premier banc d'essai au sol n’a lieu qu’en avril 1937 sous la direction de l’anglais Franck Whittle.

    Mais c’est un ingénieur allemand, Hans Joachim Pabst von Ohain, qui réalise  un turboréacteur en 1939 permettant le décollage du premier avion à turboréacteur du monde : le Heinkel He-178 expérimental.

    Ces turboréacteurs simples flux ont ensuite été supplantés par les doubles flux, dont le premier à tourner à titre expérimental fut le RATEAU SRA-1 français en 1946.

A partir de 1960, le turboréacteur à double flux est apparu comme le meilleur moteur pour l'aviation de transport au-dessus de 550 km/h.

 

Les turboréacteurs simples

Principe et fonctionnement

Principe de propulsion par réaction

La vitesse de l’air prélevé dans l’atmosphère est augmentée par la combustion créée au cœur du moteur avant d'être rejeté vers l’arrière. C'est, ainsi, que la poussée de l'engin est assurée.

La poussée  d'un moteur à réaction (noté F)  résulte du  produit du débit de la masse d'air (noté m) par la différence entre la vitesse de sortie (notée Vs) et la vitesse d'entrée (notée Ve) du flux gazeux :Poussée d'un turboréacteur peut être calculée approximativement à partir de l'équation :

Fpoussée  = M x (Vsortie  - Ventrée )

avec : M = Débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)

Vsortie= Vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s)

 

Ventrée = Vitesse d'entrée des gaz dans le compresseur (m/s)

M x Vsortie : Représente la poussée de la tuyère, tandis que M x Ventrée  correspond à la force de traînée de l'entrée d'air. Ainsi pour que le turboréacteur crée une poussée vers l'avant, il faut naturellement que la vitesse des gaz d'échappement soit supérieure à celle de l'aéronef.

Fonctionnement et composition des turboréacteurs

   De grandes quantités d'air sont aspirées à l’entrée d’air puis un compresseur va graduellement augmenter sa pression. L'air comprimé est ensuite envoyé dans des chambres de combustion. Là, il est mélangé à du kérosène de manière à constituer un mélange explosif. Ce mélange, après combustion, produit une grande quantité de gaz chauds violemment éjectés vers la tuyère. Ces gaz entraînent simultanément une turbine qui actionne les compresseurs grâce à un axe central qui les lie. Le démarrage d'un turboréacteur nécessite l'application au compresseur d'une vitesse de rotation suffisante d'où la présence d'un moteur électrique très puissant au démarrage (ensuite la turbine prends le relais).

    Pour accroître encore l'efficacité, le compresseur a été divisé en deux parties successives, à basse et haute pression. On parle alors de turboréacteur double corps.

Le turboreacteur double flux

Schéma d'un turboréacteur

 

    Pour permettre à un avion de dépasser le mur du son. Il est nécessaire de disposer d'un surcroît de puissance, appelé poussée supplémentaire, fournie par la postcombustion, L'air rejeté par la chambre de combustion, même plein gaz, contient encore une grande quantité d'oxygène, il est donc possible d'injecter du carburant dans la tuyère. La puissance du turboréacteur peut ainsi être multipliée par deux mais la consommation est multipliée par cinq !

 

Turboréacteur simple flux avec post combustion

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Les turboréacteurs à double flux   

Naissance

    Au cours d'études sur un nouveau turboréacteur à arbre double et double corps, les ingénieurs ont découvert le principe du turboréacteur à double flux.
    A condition d'augmenter le diamètre du compresseur à basse pression, il est possible de prélever l'air circulant à la périphérie des ailettes du compresseur.
    Au moyen d'une canalisation entourant le compresseur haute pression, la chambre de combustion et les turbines, l’air prélevé est amené au niveau de la tuyère sans passer par la chambre de combustion et il est alors mélangé aux gaz chauds éjectés.
Cette solution suppose : à puissance égale, le diamètre du réacteur à double flux soit plus grand que celui du réacteur classique. Le taux de dilution du flux froid, qui était inférieur à 1 pour les premiers réacteurs à double flux, fut progressivement augmenté par la suite (1.2 à 1.5).

Fonctionnement et composition

    L'accélération donnée d'une masse d'air donnée produit une force prévisible. En accroissant l'accélération de l'air ou la quantité d'air déplacée, la force produite augmente.

    Dans un turboréacteur à double flux, les gaz à la sortie des tuyères sont animés d'une vitesse plus faible qu'a la sortie du turboréacteur. Il serait logique de penser que la poussée est plus faible. Seulement, la quantité d'air déplacée est nettement plus grande. La poussée l'est donc aussi. Une partie seulement de l'énorme quantité d'air aspiré est utilisée comme comburant alors qu'un conduit dévie le reste à l'arrière du réacteur.

    Identique au simple flux pour l’essentiel, l’ensemble de l’air aspiré passe dans le premier compresseur : « la soufflante » (fan en anglais), puis il est séparé en deux flux.
 

    La consommation en kérosène des réacteurs double flux est moindre que celle d'un turboréacteur traditionnel. Cela s'explique de la façon suivante : le surplus d'air qu'apporte la soufflante n'est pas brûlé mais augmente, tout de même, sa poussée. Il y a donc un meilleur rendement.


Turboréacteur double flux

 

Avantages et inconvénients

A/ Dans les turbo réacteurs doubles flux : les gaz d'échappement sont noyés dans le flux d'air supplémentaire. Il en résulte une nette diminution du bruit  issu de la combustion et des organes en mouvement. Ce résultat a induit une quasi obligation de commercialisation d'avion avec ce type de réacteur pour une amélioration de la qualité de vie à bord de l'avion mais aussi aux abords des aéroports.

B/ Les turboréacteurs simple flux (mais double corps) restent utilisés au dessus de Mach 1 en particulier dans l’aviation militaire et quand la post combustion est installée.

C/ Générateur de puissance : le turboréacteur n'est pas seulement un organe propulsif. Il fournit aussi toute l'énergie disponible à bord sous forme électrique, hydraulique et pneumatique et alimente le système de pressurisation et de conditionnement d'air.

D/ Problème du démarrage du réacteur ! Les turboréacteurs nécessitent au démarrage d’être lancé : en fait c’est le compresseur qui doit dans un premier temps être mis en fonctionnement avant que la turbine du réacteur puisse suffire pour lui procurer l’énergie nécessaire : l’énergie sera donc fourni par une centrale électrique classique, parfois sur les gros avions civils il existe un moteur auxiliaire « intermédiaire » entre la centrale électrique et le réacteur : c’est  le GAP (Groupe Auxiliaire de Puissance) ou APU (Auxiliary Power Unit). Il s'agit d'un "mini" turbomoteur, souvent dérivé d'une turbomachine d'hélicoptère, et généralement situé dans la queue de l'appareil, qui fournit l'air comprimé pour alimenter les démarreurs pneumatiques des turboréacteurs, l’énergie pour les compresseurs ainsi que l'énergie électrique avant les démarrages.

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Améliorations récentes

    La poussée, « la réaction », des gaz a pu être plus récemment canalisé malgré les températures élevées, ainsi deux applications de ce principe de « diriger la poussée » sont inventées :


A/ Inverseur de poussée : ils permettent en inversant la poussée de ralentir rapidement l’avion quand il est au sol à l’atterrissage : des éléments mobiles sont déplacés de façon à obturer plus ou moins complètement la tuyère, ce qui dévie vers l'avant le flux des gaz chauds de la turbine et freine l’avion. Sur les avions civils à double flux seul les gaz du deuxième flux (les gaz froids de la soufflante) sont déviés, l’avion ne peut pas donc reculer. Outre le problème de résistance mécanique des matériaux et son coût une inversion de deux flux entrainerait un bruit peu admissible en zone portuaire. Certains aéroports d’ailleurs interdissent à tout appareil l’utilisation des inverseurs sauf atterrissage en catastrophe !                                                            Inverseurs sortis (Airbus)
 

                                                                                                                                            

B/ Poussée vectorielle : La poussée vectorielle est en fait un système permettant de rediriger la poussée d'un moteur (angle de 15 à 25° classiquement). Contrôlée par ordinateur, la poussée vectorielle est incorporée avec les commandes des gouvernes.

-          Sur certains avions de chasse des vérins hydrauliques disposés autour de l'échappement des tuyères modifient l'orientation de celles-ci (avion russe)

-          Sur d’autres la tuyère du (ou des) réacteur est prolongée par un dispositif orientable permettant de dévier le jet et donc la direction de la poussée pour augmenter la manœuvrabilité de l'appareil (avion américains F 22).

-          Enfin la poussée peut aussi être déviée vers le sol afin de permettre le décollage/atterrissage vertical, comme sur le Harrier (anglais).

 

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