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20 novembre 2007 2 20 /11 /novembre /2007 17:46

Les turbomachines

Dans cette catégorie sont rassemblés les turboréacteurs, les turbopropulseurs et les turbomoteurs.

v       Quels sont les avantages et les inconvénients de ces moteurs ?

v       Avantages : plus rapides Þ oui

v       Inconvénients :         consomment plus Þ non

Plus chers Þ oui

v       Une hélice va souffler les commandes, va rendre l’avion plus vivant, plus réactif. L’avion à réaction ne va s’orienter que par la pression du vent relatif sur les commandes, « c’est comme piloter une savonnette dans une baignoire ».

 

Le turboréacteur

Questionnement : Comment fonctionne un moteur à réaction ou turboréacteur ?

Conceptions initiales - Evolution, expériences, recherches documentaires :

v      

v       Expérience : (fig. 10) Il fonctionne comme un ballon de baudruche.

Si on gonfle un ballon de baudruche et que l’on pince l’embouchure, à l’intérieur du ballon règne une pression P’ supérieure à la pression ambiante P. Si on libère l’embouchure,  la pression des gaz P’ va tendre à s’équilibrer avec la pression externe P. Les gaz du ballon se détendent et sont accélérés en traversant l’embouchure. Tout en se dégonflant, le ballon se déplace rapidement.

C’est ce qu’on appelle la réaction (d’où le nom de moteur à réaction) de l’air qui produit ainsi une force appelée poussée.

En conséquence, si l’on pouvait construire une machine capable de maintenir, dans une enveloppe non déformable, une pression supérieure à la pression ambiante, et si l’on pouvait diriger correctement la vitesse de gaz à la sortie, on contrôlerait la direction de la force.

(fig. 11, dessinée et agrandie au tableau) Afin de réaliser cette machine, on utilise un compresseur qui capte l’air externe par un conduit appelé entrée d’air. Le compresseur a pour but d’accroître la pression de l’air. Le compresseur est entraîné mécaniquement par un autre élément appelé turbine.

En sortant du compresseur, l’air est admis dans une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant (kérosène, liquide pétrolier obtenu comme intermédiaire entre gazole et essence, à partir du pétrole brut) et enflammé afin d’accroître son niveau énergétique : l’air se trouve à haute pression et haute température. En effet, si on chauffe l’air contenu à l’intérieur de notre ballon de baudruche, la pression P’ augmente (expérience du verre d’eau retourné sur une bougie allumée et une coupelle remplie d’eau : au début, de l’air s’échappe du verre car la pression à l’intérieur du verre a augmenté).

Derrière la chambre de combustion se trouve la turbine. En traversant celle-ci, une partie de l’énergie des gaz de combustion est transformée en énergie mécanique dans la turbine qui transmet cette énergie au compresseur par un arbre. L’ensemble compresseur-turbine (encore appelé attelage) forme un seul corps, animé de la même vitesse de rotation.

Après avoir traversé la turbine, les gaz sont dirigés vers le canal d’échappement appelé tuyère.

Là, ils sont accélérés de sorte que la vitesse d’éjection Vj soit supérieure à la vitesse d’entrée V. Le débit d’air D traversant le moteur subit la variation de vitesse (Vj - V) et génère la poussée F telle que : F = D.(Vj - V)

De l’entrée d’air vers la tuyère, ce type de moteur est donc composé :

·          d’une entrée d’air,

·          d’un compresseur,

·          d’une chambre de combustion,

·          d’une turbine,

·          d’une tuyère.

 

Le turbopropulseur (fig. 12)

C’est une turbomachine couplée à une hélice

 

Fiche élève n° 4 (C 2-13) Colorier les moteurs à turbine

 

Le turbomoteur

Ce moteur équipe les hélicoptères. C’est une turbomachine couplée à un rotor (hélice horizontale)

 

L’hélice

Introduction : Une hélice est composée d’au moins deux pales réunies par un moyeu, lui-même solidaire de l’arbre moteur.

Le moyeu et l’arbre sont protégés par un carénage, appelé « cône d’hélice » dont la fonction principale est de guider l’air vers les entrées d’air du moteur pour assurer son refroidissement et améliorer l’écoulement de l’air.

Questionnement : Quel est le principe de fonctionnement de l’hélice ?

Conceptions initiales - Evolution, expériences, recherches documentaires :

v       Ca fonctionne comme une hélice de bateau Þ oui, principe s’applique à tout fluide

v       Ca fonctionne comme une aile d’avion Þ oui

v       (fig. 13) On remarque que chaque pale, vue en coupe, ressemble à une aile d’avion. En réalité, le principe de fonctionnement est le même. La pale placée dans le vent relatif (le vent relatif est généré à la fois par la rotation de l’hélice et par la vitesse de déplacement de l’avion) produit, grâce à son profil, une force de traction (au lieu d’une portance).

v       Pourquoi l’hélice est-elle vrillée ?

v      

v       La forme vrillée de la pale s’explique par la différence de vitesse qui existe entre son extrémité et sa base, l’objectif étant d’obtenir une force de traction optimale sur toute la longueur de la pale.

(fig. 14) Le pas de l’hélice (ou calage ou angle de calage) étant l’angle formé entre la corde de profil (de la pale) et le plan de rotation, un petit pas est nécessaire là où la vitesse est faible (en pied de pale), et un grand pas là où la vitesse est forte (en bout de pale). C’est un peu comme la première utilisée au démarrage et la quatrième en vitesse de croisière.

v       Quelles sont les limites de l’hélice à calage fixe ?

v       La plupart des avions légers comme le Robin sont équipés d’une hélice à calage fixe. L’implantation d’une hélice sur ce type d’avion consiste à rechercher un compromis entre un « pas faible » (efficace au décollage) et un « pas plus fort » (efficace en croisière, mais peu performant au décollage). C’est un peu comme si sur une voiture on avait à choisir entre la première et la quatrième sans possibilité de changement. Les constructeurs ont choisi un calage fixe intermédiaire assurant une efficacité moyenne par tous les régimes de vol (montée, descente, palier, virage).

On comprend aisément l’intérêt d’une hélice dont le calage pourrait être commandé par le pilote selon les phases de vol.

v       Comment fonctionne une hélice à calage variable ou à vitesse constante ?

v       Le contrôle de la puissance ne s’effectue pas avec la seule manette des gaz comme sur les avions à hélice à calage fixe, mais à l’aide de deux manettes :

Ø        Une manette des gaz qui agit sur la pression d’admission et non pas sur le nombre de tours par minute.

Ø        Une manette de pas d’hélice  ou manette de régime qui permet de modifier le nombre de tours par minute, ainsi :

§          (fig. 15) Si on diminue le pas, la traînée et la traction de la pale d’hélice diminuent, ce qui permet à l’hélice de tourner plus vite (le nombre de tours augmente).

§          (fig. 16) Si on augmente le pas, la traînée et la traction de la pale d’hélice augmentent, entraînant une diminution du nombre de tours par minute.

Le petit pas s’adapte aux besoins de puissance comme la montée, et aux faibles vitesses, un peu comme la première sur une voiture ce qui convient au démarrage.

Le grand pas s’adapte aux vitesses rapides et ne convient pas en montée et vitesse faible (avoir un grand pas en montée reviendrait à vouloir démarrer votre voiture en cinquième).

En réalité, ce n’est pas le calage qui est commandé par le pilote, mais un nombre de tours qui sont demandés. La variation de calage des pales se fait alors automatiquement afin de maintenir le nombre de tours « demandés » : la vitesse de rotation de l’hélice sera constante d’où son nom « hélice à vitesse constante ».

Autres avantages de l’hélice à calage variable :

·         Un calage inverse permet d’orienter la force produite par la pale en sens inverse et donc de freiner l’avion à l’atterrissage afin de diminuer les distances de roulement.

·         Sur un multimoteur, en cas de panne d’un moteur, l’hélice du moteur en panne génère une traînée excessive qu’il est possible de réduire en amenant les pales dans le lit du vent relatif : leur calage est alors proche de 90°, cette position est appelée drapeau.

v       Qu’appelle-t-on le rendement d’une hélice ?

v       Le rôle de l’hélice est d’absorber une énergie (celle du moteur), pour en restituer une autre (la force de traction).

Ce « transfert d’énergie » entraîne bien entendu des pertes. Leur importance est mise en évidence par ce que l’on appelle le rendement de l’hélice qui est le rapport entre l’énergie restituée et l’énergie absorbée. Si l’hélice était parfaite, le rendement serait égal à 1. Le rendement moyen d’une hélice est plutôt de l’ordre de 0,7.

Rendement =    énergie restituée  =  puissance utile

                        énergie absorbée     puissance absorbée

Travail à la maison : Initiation à l’aéronautique pp 35-48

QCM 5 Prévol : le système propulsif 1 à 23
QCM 5 Prévol : le système propulsif 24 à 46

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Published by Borgne - dans Cours
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