LES TURBOMACHINES (ATA 72 & ATA 42)
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AUTEUR : Sushimi DATE : 13 Octobre 2021 LES TURBOMACHINES (ATA 72 & ATA 42)
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AUTEUR : Sushimi DATE : 13 Octobre 2021
LES TURBOMACHINES
(ATA 72 & ATA 42)
EDITION 1 LES TURBOMACHINES REV : 1.1
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LISTE DES MISES A JOUR
N° Pages révisées Nature des
amendements Editeur
1.1
11-12 16-21
Révision des illustrations
Sushimi
EDITION 1 LES TURBOMACHINES REV : 1.1
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TABLE DES MATIERES
PRINCIPE DE BASE .................................................................................... 4
LES TROIS TYPES DE TURBOMACHINES .................................................. 5
ETAGE DE COMPRESSEUR OU DE TURBINE ............................................ 6
CORPS (ATTELAGE) .................................................................................. 6
LA SOUFFLANTE OU FAN ......................................................................... 7
COMPRESSEUR ................................................................................. 8 à 10
TURBINE ......................................................................................... 10 à 11
RELAIS ACCESSOIRES ............................................................................. 12
ENTREE D’AIR ......................................................................................... 13
CHAMBRE DE COMBUSTION ......................................................... 14 à 16
ECHAPPEMENT .............................................................................. 17 à 18
POMPAGE ............................................................................................... 19
APU ......................................................................................................... 20
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PRINCIPE DE BASE
Le principe de base des turbomachines correspond à la 3ème loi de Newton « Le
Principe de l’action et de la réaction »
L’ensemble des turbomachines fonctionnent suivant le cycle à 4 temps :
Une turbomachine désigne une machine fonctionnant sur le principe de la
récupération de l’énergie calorifique des gaz issue d’une combustion par le biais d’une
turbine, afin d’entraîner un compresseur et les accessoires nécessaires au bon
fonctionnement de la machine, pompes, régulateurs, ect …
Sur tous types de moteurs équipant les aéronefs, l’air est comprimé et peut être
prélevé et utilisé sur tout l’avion. Cette génération d’énergie inépuisable se nomme la
génération pneumatique.
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LES TROIS TYPES DE TURBOMACHINES
Turboréacteurs (GTR)
Turbopropulseurs (GTP)
Turbomoteurs (GTM)
Arriel 2D
Ecureuil
TP400
A400M
ATAR 9K50
Mirage F1
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ETAGE DE COMPRESSEUR OU DE TURBINE
Le compresseur et la turbine sont constitués :
D’une partie mobile (ROTOR) Le rotor C'est la partie mobile de
l'étage de turbine. Il transforme la vitesse des gaz en énergie
mécanique (mise en rotation).
D’une partie fixe (STATOR) Qui transforme l’énergie de pression
des gaz (= diminution de la pression) en énergie cinétique (= vitesse).
Il est composé d'aubes soudées ou emboîtées sur des anneaux
concentriques, qui font offices de carter.
Un ETAGE, c’est l’association d’un rotor + un stator
CORPS (ATTELAGE)
Ensemble « compresseur-arbre-turbine »
Certaines turbomachines peuvent comporter plusieurs arbres (2 ou 3)
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LA SOUFFLANTE OU FAN
C’est un rotor surdimensionné qui est à l’entrée du réacteur. Son rôle est d’accélérer
l’air. Le débit d’air absorbé par le fan est alors divisé en :
- Le flux primaire qui va servir à obtenir de l’énergie mécanique (mise en rotation des
compresseurs et des accessoires.
- Le flux secondaire qui grâce à sa simple accélération, va fournir une énergie cinétique
donc une grande partie de la poussée (gratuitement !)
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COMPRESSEUR
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Le rôle du compresseur est d'aspirer et de comprimer l'air pour l'amener à des
vitesses, pression et température optimales à l'entrée de la chambre de combustion.
Le rapport de compression est le rapport de la pression de sortie compresseur sur la
pression d'entrée. Il peut s'exprimer en pression totale ou statique.
t =𝑃𝑡2
𝑃𝑡1 ou st =
𝑃𝑠𝑡2
𝑃𝑠𝑡1
Le taux de compression est le rapport de la température de sortie compresseur sur la
température d'entrée. =𝑇2
𝑇1
Il existe deux sortes principales de compresseurs :
- Les compresseurs centrifuges (Double entrée ou parallèle / A 2 étages ou série)
- Les compresseurs axiaux
- Il y a également une solution mixte : le compresseur « axial-centrifuge ».
PT6A66D
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Afin d'éviter les confusions ou malentendus on désigne dans le "jargon" motoriste par :
- Rouet : rotor du compresseur centrifuge
- Diffuseur : stator du compresseur centrifuge
- Rotor : rotor du compresseur axial
- Redresseur : stator du compresseur axial
TURBINE
Il existe deux types de turbine :
- A action, qui ont pour caractéristique d’avoir une pression d'entrée égale à la pression de
sortie.
- A réaction, qui ont pour caractéristique d’avoir une pression d'entrée supérieure à la
pression de sortie.
L’énergie de pression des gaz chauds en sortie de chambre de combustion est
transformée en énergie mécanique (mise en rotation) et cinétique (vitesse) dans la
turbine. La mise en rotation de la turbine, permet :
- D’entraîner le compresseur, (l’hélice ou le rotor selon les cas) et les accessoires
- D’accélérer l’air (1ère détente des gaz) pour la propulsion.
Le nombre d’étage de turbine (stator – rotor) est inférieur au nombre d’étages de
compresseur (rotor – stator) car le taux de détente est supérieur au taux de compression.
Comme pour les compresseurs les turbines peuvent être axiales ou centrifuges. La
puissance fournie par la turbine et celle absorbée par le compresseur doivent être égales
pour avoir un attelage stable et équilibré.
La turbine est l’élément le plus FRAGILE de la turbomachine et en même temps
l’élément le plus IMPORTANT (c’est elle qui entraine tout le reste : compresseur, hélice,
rotor, accessoires, …). C’est pourquoi elle sera tout particulièrement surveillée :
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Par le pilote :
- Surveillance constante de la température de la turbine,
- Surveillance constante de la vitesse de rotation de la turbine (force centrifuge).
La maintenance de la turbomachine dépendra directement de la turbine, selon :
- son temps de fonctionnement,
- le nombre de dépassements de la température maximale admissible,
- le nombre de dépassements de N maximum admissible,
- les inspections par endoscopies (boroscopie) des aubes.
Cas pour les turbomoteurs :
A turbine Liée : N’est plus utilisée car nécessitant un embrayage et car ayant une trop
mauvaise consommation spécifique en bas régime.
A turbine libre :
Il existe deux types de conception :
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RELAIS ACCESSOIRES
La turbine entraine en rotation le compresseur et les accessoires (pompes, régulateur,
alternateurs, …) via le boîtier d’accessoires. Un boîtier d'accessoires ou AGB accessory
gearbox comprend généralement un ou plusieurs trains d'engrenages qui sont entraînés
en rotation par un prélèvement mécanique au moyen d'un renvoi d'angle sur l’arbre du
compresseur-turbine et sur lesquels viennent se coupler les différents accessoires tels que
:
- Les générateurs électriques,
- Les pompes mécaniques pour l'hydraulique,
- Les pompes de carburant (HP et BP),
- Les pompes pour lubrification, etc ...
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ENTREE D’AIR
Elle assure le raccordement de l’écoulement d’air extérieur et de l’entrée du
compresseur avec le maximum d’efficacité. Pour un fonctionnement satisfaisant de la
turbomachine, la vitesse de l’air au niveau de l’entrée compresseur doit être environ
égale à 0.5 Mach. Donc pour des vitesses de vol supérieures à 600 km.h-1, il faudra que
l’entrée d’air assure un ralentissement de la vitesse de l’écoulement.
L’entrée d’air subsonique :
Le ralentissement de la vitesse se fait dans un divergent. Cette forme permet aussi de
réalisée une « compression dynamique ». Au démarrage des moteurs, l’ouverture de
trappes additionnelles permet d’augmenter le débit d’air entrant (envrion +30%). Ces
trappes s’ouvrent sous l’effet de la dépression. L’entrée d’air sera dimensionnée par
rapport à la taille et au type de la turbomachine mais aussi au domaine de vol de l’aéronef
afin d’améliorer le rendement de la turbomachine. Pour les turbomoteurs (GTM) la
section d’entrée d’air régulière, peut être munie de grille de protection ou de filtre anti-
sable.
L’entrée d’air supersonique :
En régime supersonique si la section diminue (convergent) la vitesse diminue et la
pression statique augmente et inversement. Ainsi le ralentissement de la vitesse de l’air se
fait d’abord dans un convergent, jusqu'à un col où l’écoulement devient subsonique, le
ralentissement encore nécessaire (de M=1 à M=0,5) s’effectue dans un divergent.
L’entrée d’air doit s’adapter au régime de vol, on utilise des éléments mobiles capables de
modifier la géométrie de la section d’entrée d’air en cours de fonctionnement.
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CHAMBRE DE COMBUSTION
La chambre de combustion doit être conçue afin d’avoir :
- Une combustion complète en limitant la production d’imbrûlés et de polluants,
- Un encombrement minimum avec peu de pertes de charges,
- Une résistance aux chocs thermiques,
- Une température acceptable et compatible devant la turbine.
Les contraintes liées à la fabrication des chambres de combustion sont :
- Chimique (dépôts de carbone, oxydation)
- Thermique (2000°C, dilatation)
- Aérodynamique (écoulement de l’air sans perte de charge)
- Métallurgique (matériaux résistants aux contraintes chimique et thermique)
La combustion est fonction :
- De la quantité de carburant et du débit d’air = la richesse.
- De la vitesse d’écoulement du flux.
- De la pression du mélange.
Ce sont les variations du dosage, dans les limites du domaine de combustion, qui vont
permettre les changements de régimes. Le dosage stœchiométrique (1/15ème), crée des
températures trop élevées pour la turbine. En apportant tout au long de la chambre plus
d'air frais, appelé "air de dilution", cela permet de diluer et de refroidir les gaz avant leur
entrée dans la turbine. Le dosage est alors de 1/15 au niveau des injecteurs et de 1/40 à
1/60 à l'entrée de la turbine en fonction de l’air apporté.
La pression mini d'inflammation est de 0,4 bar.
Plus la pression est élevée, meilleure est la combustion.
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Afin d'homogénéiser le mélange et de favoriser la propagation de la flamme, il est
nécessaire de générer des turbulences.
Celles - ci devront cependant être limitées afin de ne pas créer trop de pertes de charge.
La forme de la chambre (divergente – convergente) contribue à l’adaptation des
paramètres pression, vitesse et température.
Constitution d’une chambre de combustion :
Principe de fonctionnement L'air venant du compresseur est divisé en 2 parties :
- L’air primaire (25% du Qa) pénètre dans le tube à flamme, il est mélangé au carburant
puis brûlé et éjecté vers la turbine.
- L’air secondaire (75% du Qa) circule entre le carter et le tube à flamme. Pénétrant par
les trous de dilution, il se mélange ensuite à l'air primaire afin d'abaisser la
température du tube et du flux d’air en entrée turbine.
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Il existe cinq types de chambre de combustion :
- Les chambres séparées :
- Les chambres annulaires :
- La chambre annulaire double :
- Les chambres mixtes :
- Les chambres inversées :
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ECHAPPEMENT
Il a pour rôle de transformer l’énergie de pression restante après passage dans la
turbine en énergie cinétique. Cette transformation subie par la masse d’air dans
l’échappement, entraîne une accélération de celle-ci, ce qui engendre la force de
poussée. En fonction du type de turbomachine, la poussée est :
- Principale sur les Groupes Turbo Réacteurs (GTR),
- Résiduelle sur les Groupes Turbo Propulseurs (GTP) et sur les Groupes Turbo Moteurs
(GTM).
Il existe trois types de tuyère :
- Tuyère fixe
- Tuyères à section variable :
o Tuyère à paupière ou demi-coquille
o Tuyère à multi volets
Des dispositifs spéciaux sont également adaptables :
- Les tuyères à orientation variable
- Les tuyères atténuatrices de bruit
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- Les inverseurs de poussée :
o A paupières
o A portes
o A grilles
- La postcombustion (PC) Utilisée principalement sur les avions supersoniques
militaires, seuls deux avions civils l'ont utilisée, le Concorde franco-britannique et le
Tupolev Tu144 Soviétique. Comme son nom l’indique, la postcombustion consiste à
rajouter une combustion de kérosène entre la turbine BP et la tuyère, afin de fournir
une augmenter temporairement de la poussée.
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POMPAGE
Le pompage est un décrochage aérodynamique sur les ailettes de rotor du
compresseur, pouvant se traduire par la diminution ou l’inversion de l’écoulement d’air,
C’est un phénomène pulsatoire entrainant des variations brutales de pression
entrainant une mauvaise alimentation en air de la chambre de combustion, d’où :
- Variation du régime de rotation à cause de l’inversion du flux,
- Augmentation de la température turbine,
- Perte de poussée,
- Risque d’extinction dans la chambre de combustion par manque d’air.
Ainsi que des vibrations, d’où le risque de formation de criques et éventuellement
rupture de pièces …
Le phénomène de pompage peut apparaitre dans les situations suivantes :
- Vol aux incidences élevées
- Vol en dérapage
- Fonctionnement du moteur au sol à faible vitesse par fort vent de travers
- Vol en très haute altitude
- Forte décélération
- Forte accélération ou allumage PC
- Ingestion de gaz chauds
- Vol dans un nuage de poussière volcanique
- Ingestion de corps étrangers
- Usure général du compresseur
POMPAGE
Causes Remèdes
Faible régimes Aubages de pré rotation (IGV) Stator à calage variable (VSV) Vannes de décharges (VBV)
Accélération / Décélération Lois de régulation carburant Vannes de décharges (VBV)
Condition de vol - Température - Altitude - Incidence
Modification des conditions de vol : Altitude
Incidence dérapage
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APU
L’Auxiliary Power Unit (APU) ou Groupe Auxiliaire de Puissance (GAP) est un groupe
auxiliaire embarqué, qui permet de rendre l'avion autonome électriquement et
pneumatiquement.
Ce petit réacteur permet de fournir une génération électrique (à la place de la batterie
ou du groupe de parc), et une génération pneumatique utile pour :
- Le conditionnement d’air et la pressurisation de l’aéronef afin de le préparer à
recevoir les passagers.
- Approvisionner le démarreur pneumatique en air à fort débit et faible pression.
Il peut également être utilisé en vol pour fournir les mêmes énergies en secours (et
même parfois une génération hydraulique).
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Fly Safe !
Cette documentation, a été créée avec l’aide de cours de BTS Aéronautique certifié Part 145 et avec
l’aide de sites, comme :
- lavionnaire.fr
- safran-group.com
- sites.google.com/view/mr-sushimi/accueil
Cela étant dit, cette documentation ayant pour but de vulgariser la compréhension des
turbomachines, beaucoup d’informations ont été enlevée afin de faciliter celle-ci.
Il est possible que certaines évolutions apparaissent au cours du temps et c’est pourquoi cette
documentation pourra être mise à jour.
