Aerodrom

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Les turbo-machines se composent essentiellement d'un compresseur d'air, d'une chambre de combustion, d'une turbine à gaz et d'une tuyère d'échappement des gaz. Le principe de fonctionnement en est très simple : les gaz provenant de la combustion du carburant s'échappent par la tuyère en actionnant la turbine. La turbine fournit au compresseur l'énergie nécessaire à son fonctionnement, le compresseur alimente la chambre en air comprimé nécessaire à la combustion du carburant. Le cycle est ainsi amorcé.

De là, deux solutions :

- une première solution consiste à avoir une turbine juste suffisante pour assurer l'énergie nécessaire au compresseur : c'est la solution réacteur, la poussée étant obtenue par l'énergie complémentaire disponible ;

- une deuxième solution consiste à avoir une turbine qui absorbe toute l'énergie provenant de la combustion et dont l'excédent de puissance sera utilisé par une hélice montée en bout de l'arbre de transmission ⎯ turbine/compresseur ⎯ : c'est alors un turbopropulseur.

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Groupe motopropulseur constitué d’un moteur à explosion et d’une hélice

On utilise cette solution pour des avions légers, où une grande vitesse n'est pas recherchée, ni une haute altitude. En effet, la puissance d'un moteur à explosion diminue avec l'altitude par suite de la diminution de la densité de l'air (50 % à 5 500 m environ). Il est possible dans certains moteurs de comprimer l'air avant l'admission et ainsi de gagner très sensiblement sur l'altitude maximale, mais on ne dépasse guère 1,5 bar à l'admission.

L'hélice est chargée de transformer le couple moteur en force de traction. Pour ceci, on utilise des hélices dont les pales ont un comportement dans l'air analogue à celui d'une aile d'avion (cf. Fig. II-7). Simplement, au lieu de s'intéresser à la décomposition de la résultante aérodynamique suivant la direction du vent relatif et la direction perpendiculaire (traînée et portance) on décomposera cette résultante en une force de traction dirigée parallèlement à l'axe du moteur, et une autre perpendiculairement au bord d'attaque de la pale, dans le plan de rotation de l'hélice.

L'ensemble des forces élémentaires de traction produit la force par laquelle l'hélice tire l'avion, l'ensemble des forces perpendiculaires à la traction crée un couple résistant, qu'aura à vaincre le couple du moteur.

[pic 8]

On définit la puissance du groupe motopropulseur comme le produit de la force de traction T par la vitesse V :

[pic 9]

On définit le rendement d’une hélice par le rapport :

[pic 10]

Ce rendement est au maximum de l’ordre de 0,80. En fonction de la vitesse de l’avion, le vent relatif soufflant sur la pale change de direction, par conséquent aussi les valeurs de T et du couple résistant. On sera en fait amené à faire varier l’angle de calage de la pale en fonction de la vitesse afin de conserver un bon rendement à toutes les vitesses.

[pic 11]

Fig. II-7 – Les moteurs à réaction : turbopropulseur – turboréacteur - turbofan.

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Groupe motopropulseur constitué d’une turbine à gaz seule – turboréacteur

La turbine à gaz permet d'obtenir une puissance par unité de masse plus grande que le moteur à explosion, mais est de construction plus délicate. La poussée d'un turboréacteur est proportionnelle au débit masse (masse par seconde) des gaz qu'il éjecte. Cette poussée varie très peu avec la vitesse de déplacement de l'avion. On ne parle donc pas de "puissance" d'un réacteur, mais uniquement de poussée.

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Technologie

Dans sa formule la plus simple, il comprend de l'avant vers l’arrière (cf. Fig. II-7) :

- une entrée d'air,

- un compresseur,

- une chambre de combustion,

- une turbine,

- une tuyère d'éjection.

La détente dans la turbine est calculée de telle sorte que l'énergie produite soit juste égale à celle qui est nécessitée par l'entraînement du compresseur, l'énergie résiduelle étant transformée en énergie propulsive dans la tuyère. Le turboréacteur est un moteur dont tous les organes mobiles sont animés de mouvements de rotation, ce qui, entre autres, le distingue du moteur à pistons.

L'entrée d'air permet de créer grâce à la vitesse à l'entrée du réacteur une pression statique, assurant ainsi une précompression avant le compresseur. Son importance est d'autant plus grande que la vitesse de vol est élevée ; sur les moteurs destinés à fonctionner dans une large gamme de vitesses, l'entrée d'air est à forme variable, notamment la section au col sur les entrées d'air pour moteurs supersoniques, qui présentent une forme convergente-divergente. Aux vitesses supersoniques, des ondes de choc prennent naissance dans la partie avant de l'entrée d'air, et la position de ces ondes doit être réglée en fonction de la vitesse de vol. Dans le cas des moteurs Olympus du "Concorde", la variation de forme est obtenue par déformation des parois internes et ouverture de trappes auxiliaires.

La tuyère d'éjection est l'organe de turboréacteur dans lequel est effectivement créée la poussée. L'énergie résiduelle des gaz de combustion qui se sont détendus à travers la turbine est utilisée pour accroître la vitesse d'éjection de ces gaz.

La forme optimale de la tuyère telle que la pression du jet de gaz de combustion dans le plan de sortie soit juste égale à la pression ambiante : on dit alors que la tuyère est adaptée. Cette forme dépend donc des conditions de fonctionnement du turboréacteur et de l'altitude de vol. Aussi, comme pour l'entrée d'air, certains turboréacteurs