Section 5 OCOM C232.01 – IDENTIFIER LES CARACTÉRISTIQUES DES TURBINES À GAZ

Un moteur à réaction est un moteur réactif qui se propulse en éjectant la matière pour créer une force, tel que décrit par la troisième loi de Newton.

La troisième loi de Newton stipule qu’il existe une réaction équivalente et opposée pour toute action. Tous les systèmes de propulsion reposent sur ce fait d’une certaine façon. Un moteur à réaction se propulse dans une direction en éjectant un liquide (gaz chaud) dans la direction opposée.

La poussée créée par les gaz chauds d’éjection dépend de la masse et de la vitesse de la matière éjectée. Pour produire une grande poussée, beaucoup de matière doit être éjectée, sinon elle doit être éjectée à haute vitesse. La plus grande partie de la masse éjectée par un moteur à réaction provient de l’air, qui est capté de l’atmosphère à travers lequel l’aéronef à réaction passe. L’air capté est augmenté à une vitesse élevée grâce à la combustion du carburant.

Étant donné que le moteur à réaction peut toujours obtenir plus d’air, sa durée de poussée est limitée uniquement par la quantité de carburant disponible.

150 av. J.-C. – Héron. Un philosophe et mathématicien d’Égypte qui a inventé un jouet (éolipyle) qui utilisait la vapeur pour faire tourner un objet au-dessus d’un contenant d’eau bouillante. La vapeur provoquait une réaction qui déplaçait plusieurs buses placées sur une roue.

1232 – Bataille de Kai-Keng. Des soldats chinois utilisaient des fusées comme armes pour repousser les Mongols lors de la Bataille de Kai-Keng. Ils utilisaient de la poudre noire en combustion et le principe de réaction pour projeter les fusées. Après la bataille de Kai-Keng, les Mongols utilisaient des fusées et on croit que ce sont eux qui ont apporté cette technologie en Europe.

1500 – Léonard de Vinci. Il a dessiné l’esquisse d’un appareil, la lanterne, qui tournait grâce au mouvement de la fumée et des gaz chauds s’échappant d’une cheminée. Cet appareil utilisait l’air chaud pour faire tourner un arbre qui, à son tour, faisait tourner une broche. L’air chaud du feu montait vers le haut pour passer au travers d’un ensemble d’aubes coniques faisant tourner un arbre qui, à son tour, faisait tourner la broche de cuisson.

1629 – Giovanni Branca. Il a conçu un bocard pour plier le métal. Son bocard se servait des jets de vapeur pour faire tourner une turbine, qui faisait tourner un arbre, afin de faire fonctionner la machinerie.

1872 – Dr. F. Stolze. Il a conçu la première vraie turbine à gaz. Son moteur utilisait une turbine à plusieurs étages et un compresseur de flux. Ce moteur n’a jamais fonctionné avec sa propre alimentation.

1930 – Sir Frank Whittle. Il a conçu une turbine à gaz pour la propulsion par réaction, en Angleterre. La première utilisation réussie de ce moteur a eu lieu en avril 1937. Ses premiers travaux sur la théorie de propulsion des gaz étaient fondés sur les contributions de la plupart des pionniers de ce domaine.

1939 – Heinkel Aircraft Company. Cette compagnie a fait voler le premier aéronef à réaction à turbine à gaz, le HE178.

1941 – Sir Frank Whittle. Il a conçu le premier avion à turboréacteur qui a volé, le Gloster Meteor. Whittle a amélioré son moteur à réaction pendant la Seconde Guerre mondiale et, en 1942, il a envoyé le prototype du moteur à General Electric aux États-Unis. Le premier avion à réaction de l’Amérique a été construit l’année suivante.

1942 – Dr. Franz Anslem. Il a conçu le turboréacteur à écoulement axial, qui a été utilisé dans le premier chasseur à réaction opérationnel, le Messerschmitt Me 262.

Après la Seconde Guerre mondiale, le perfectionnement des moteurs à réaction a été entrepris par un certain nombre de compagnies commerciales. Les moteurs à réaction sont vite devenus le moyen le plus populaire de propulser des aéronefs à haute performance.

Présenter aux cadets un transparent ou remettre un document de cours de la figure C-1.

Le premier avion à réaction qui a volé était un statoréacteur; celui-ci n’avait aucune pièce mobile. La vitesse de l’aéronef force l’air dans le petit volume du moteur, ce qui fait augmenter la pression d’air et la densité. Le statoréacteur est restreint par le fait que sa compression d’air dépend de la vitesse vers l’avant. Il ne crée aucune poussée statique (stationnaire) et très peu de poussée en général lorsqu’il voyage à une vitesse inférieure à la vitesse du son. Par conséquent, un statoréacteur nécessite un décollage assisté quelconque, comme l’utilisation d’un autre aéronef; c’est pourquoi, il a été utilisé principalement pour les missiles guidés.

En 1930, l’idée ingénieuse qu’a eu Sir Frank Whittle de placer une turbine dans un courant de gaz d’échappement chauds a permis de faire fonctionner un compresseur et a résolu le problème de faire fonctionner un moteur à basses vitesses ou dans des conditions statiques. Voilà le secret du turboréacteur et de toutes les autres versions améliorées du modèle, comme les turbopropulseurs, les réacteurs à double flux et les turbomoteurs.

Présenter aux cadets la turbine montrée à la figure C-2 et l’absence d’une turbine dans la figure C-1.

Un autre avantage des turbines dans les moteurs à réaction est qu’elles fournissent une puissance pour divers instruments de vol auxiliaires et pour d’autres systèmes. Dans les avions de ligne modernes, la puissance de la turbine fournit tout ce qui est nécessaire allant des radiocommunications avec la tour de contrôle de la circulation aérienne à l’eau chaude pour les passagers.

Présenter aux cadets un transparent ou remettre un document de cours de la figure D-1.

Les quatre composants de base d’un moteur à réaction à turbine à gaz sont le compresseur, la chambre de combustion, la turbine et la tuyère. Ces composants traitent tous l’air, ou centralisent l’air, qui circule dans le moteur. Dans le moteur à turbine à gaz le plus commun des aéronefs, c.-à-d. le réacteur à double flux, il y a aussi une soufflante qui fournit le flux secondaire et l’air central, ainsi qu’un mélangeur qui combine le flux central avec le flux secondaire. Grâce à son bruit moins élevé et son excellente efficience énergétique, le réacteur à double flux est le modèle de choix pour la plupart des applications commerciales modernes. Des exemples de diverses utilisations des réacteurs à double flux sont les deux réacteurs à faible taux de dilution GE F404 des CF-18 et les quatre réacteurs à haut taux de dilution Trent 900 Rolls-Royce des Airbus A380. Il s’agit de deux utilisations différentes qui favorisent la technologie du réacteur à double flux.

Soufflante. La soufflante est le premier composant dans le réacteur à double flux. Elle tire l’air dans le moteur. L’air se divise ensuite en deux parties. Une partie de l’air continue de circuler vers le « noyau central » ou le centre du moteur, où il est utilisé par les autres composants du moteur. L’autre partie de l’air « contourne » le noyau central, passant dans un conduit jusqu’à l’arrière du moteur, où il produit une grande partie de la force qui propulse l’aéronef vers l’avant.

Compresseur. Le compresseur est le premier composant dans le noyau central. Il comprime l’air en plus petit volume, ce qui augmente sa pression. L’air est ensuite forcé dans la chambre de combustion.

Chambre de combustion. Dans la chambre de combustion, l’air est mélangé avec le carburant puis allumé, ce qui produit une température élevée et des gaz en expansion.

Turbine. Le débit d’air à haute énergie qui sort de la chambre de combustion passe dans la turbine, ce qui fait tourner les aubes de la turbine. La fonction de la turbine est de transformer le mouvement linéaire des gaz en énergie mécanique de rotation afin d’entraîner le compresseur, qui alimente ensuite la chambre de combustion avec de l’air à haute pression.

Tuyère. La tuyère est l’orifice d’échappement du moteur. Les gaz chauds et à haute pression, qui ont passé dans la turbine et qui sont mélangés avec l’air plus frais qui a contourné le noyau central, produisent une force en sortant de la tuyère qui permet de propulser le moteur, et donc l’aéronef, vers l’avant. La tuyère peut être précédée d’un mélangeur, qui combine l’air à haute température provenant du noyau central avec l’air à basse température qui a été contourné dans la soufflante. Le moteur fait moins de bruit lorsqu’il comprend un mélangeur.

Postcombustion. En plus des composants de base du moteur à réaction à turbine à gaz, un autre processus est utilisé de temps en temps pour augmenter la poussée d’un moteur donné. La postcombustion comprend l’entrée et la combustion du combustible brut entre la turbine du moteur et la tuyère d’éjection, utilisant l’oxygène non brûlé dans le gaz d’échappement pour maintenir la combustion. L’augmentation de la température des gaz d’échappement augmente davantage leur vitesse lorsqu’ils sortent de la tuyère de propulsion, ce qui fait augmenter la poussée du moteur. On pourrait obtenir cette poussée en utilisant un moteur plus gros, mais cela ferait augmenter le poids et la consommation générale de carburant.