Moteurs de turbines à gaz pour aéronefs

Bonjour à tous! Dans cet article, je veux parler du fonctionnement des moteurs à turbine à gaz d'aéronef (GTE). Je vais essayer d'en faire le langage le plus simple et le plus compréhensible.

Aviation GTE peut être divisé en:

• turboréacteurs (turboréacteurs)
• turboréacteurs à double circuit (turboréacteurs)
• Moteurs à turbopropulseurs
• Moteurs turboréacteurs (TVAD)

De plus, les turboréacteurs à double flux et les turboréacteurs à double flux peuvent contenir une postcombustion, auquel cas ils seront respectivement des turboréacteurs à double flux et des turboréacteurs à double flux. Dans cet article, nous ne les examinerons pas.

Commençons par les turboréacteurs.

Turboréacteurs

Ce type de moteur a été créé dans la première moitié du 20e siècle et a commencé à être largement utilisé à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Le premier turboréacteur de production au monde était le Me.262 allemand. Les turboréacteurs étaient populaires jusqu'aux années 60, après quoi ils ont commencé à être remplacés par des turboréacteurs.


Modern Me-262 photo prise en 2016

Le turboréacteur le plus simple comprend les éléments suivants:

• Périphérique d'entrée
• Compresseur
• Chambre de combustion
• Turbine
• Buse à jet (ci-après simplement buse)

Nous pouvons dire qu'il s'agit du minimum requis pour un fonctionnement normal du moteur.

Considérez maintenant ce dont vous avez besoin et pourquoi.

Le périphérique d'entrée est un canal en expansion * dans lequel l'air est fourni au compresseur et précompressé. Dans ce document, l'énergie cinétique de l'air entrant est partiellement convertie en pression.

* ci-après nous parlerons des vitesses subsoniques. À une vitesse supersonique, la physique change et tout y est complètement différent.

Un compresseur est un appareil dans lequel la pression atmosphérique augmente. Le compresseur peut être caractérisé par une valeur telle que le degré d'augmentation de pression. Dans les moteurs modernes, il commence déjà à dépasser les 40 unités. De plus, sa température augmente (peut-être quelque part jusqu'à 400 degrés Celsius).

Chambre de combustion - un appareil dans lequel la chaleur est fournie à l'air comprimé (après le compresseur) en raison de la combustion du carburant. La température dans la chambre de combustion est très élevée, peut atteindre 2000 degrés Celsius. Il peut vous sembler que la pression du gaz dans la chambre augmente également considérablement, mais ce n'est pas le cas. On suppose théoriquement que la chaleur est fournie à pression constante. En réalité, il diminue un peu à cause des pertes (problème de construction imparfaite).

Une turbine est un appareil qui convertit une partie de l'énergie du gaz après la chambre de combustion en énergie de l'entraînement du compresseur. Étant donné que les turbines ne sont pas utilisées uniquement dans l'aviation, une définition plus générale peut être donnée: il s'agit d'un appareil qui convertit l'énergie interne du fluide de travail (dans notre cas, le fluide de travail est du gaz) en travail mécanique sur l'arbre. Comme vous pouvez le comprendre, la turbine et le compresseur sont sur le même arbre et sont rigidement interconnectés. Si dans le compresseur il y a une augmentation de la pression du gaz, alors dans la turbine, au contraire, une diminution, c'est-à-dire que le gaz se dilate.

Une buse est un canal rétrécissant dans lequel l'énergie potentielle du gaz est convertie en cinétique (la réserve d'énergie restante du gaz après la turbine). Comme dans une turbine, une expansion de gaz se produit dans la buse. Un jet se forme, qui, sortant de la buse, déplace l'avion.

Avec les éléments de base triés. Mais on ne sait toujours pas comment cela fonctionne? Là encore, brièvement.

L'air de l'atmosphère entre dans l'entrée, où il est légèrement comprimé et entre dans le compresseur. Dans le compresseur, la pression d'air augmente encore plus et la température augmente. Après le compresseur, l'air pénètre dans la chambre de combustion et, y étant mélangé avec du carburant, s'enflamme, ce qui entraîne une forte augmentation de la température, pour ainsi dire, à pression constante. Après la chambre de combustion, du gaz comprimé chaud pénètre dans la turbine. Une partie de l'énergie du gaz est dépensée pour la rotation du compresseur par la turbine (afin qu'il puisse remplir sa fonction décrite ci-dessus), une autre partie de l'énergie est dépensée pour le mouvement de l'aéronef dont nous avons besoin, car le gaz traversant la turbine se transforme en jet stream dans la buse et s'en échappe (buse) dans l'atmosphère. Ceci termine le cycle. Bien sûr, en réalité, tous les processus du cycle sont continus.

Un tel cycle est appelé cycle de Brighton, ou cycle thermodynamique avec une nature continue du processus de travail et l'apport de chaleur à pression constante. Dans ce cycle, tous les moteurs à turbine à gaz fonctionnent.


Cycle de Brighton en coordonnées PV

HB - processus de compression dans le périphérique d'entrée
VK - le processus de compression dans le compresseur
KG - apport de chaleur isobare
GT - processus d'expansion de gaz dans une turbine
GS - processus d'expansion de gaz dans la buse
CH - évacuation de la chaleur isobare dans l'atmosphère


Conception schématique d'un turboréacteur, où 0-0 est l'axe du moteur

Le turboréacteur peut avoir deux arbres. Dans ce cas, le compresseur se compose d'un compresseur basse pression (LPC) et d'un compresseur haute pression (HPC), et la turbine basse pression (HPH) et la turbine haute pression (HPD) fourniront le travail, respectivement. Un tel schéma est plus avantageux gaz dynamiquement.


Un vrai moteur sectionnel de ce genre

Nous avons examiné le principe de fonctionnement du schéma le plus simple d'un moteur à turbine à gaz d'avion. Naturellement, les turboréacteurs à double flux sont installés sur des moteurs Airbus et Boeing modernes, dont la conception est beaucoup plus compliquée, mais cela fonctionne selon les mêmes lois. Regardons-les.

Turboréacteur bypass

Le turboréacteur, tout d'abord, se distingue du turboréacteur par le fait qu'il comporte deux circuits: externe et interne. Le circuit interne contient le même que le turboréacteur: compresseur (divisé en pompes basse pression et haute pression), chambre de combustion, turbine (divisé en pompes haute pression et haute pression) et buse. Le circuit externe est un canal, avec une buse à l'extrémité. Il n'a ni chambre de combustion ni turbine. Devant les deux circuits (immédiatement après le dispositif d'entrée du moteur) se trouve un étage de compresseur fonctionnant sur les deux circuits.

Une image pas très claire sort, non? Voyons comment cela fonctionne.


Conception schématique d'un turboréacteur à double circuit et à deux arbres

L'air entrant dans le moteur, passant par le premier étage du compresseur basse pression, est divisé en deux flux. Une partie de l'air passe le long du circuit interne, où se produisent les mêmes processus que ceux décrits lors du démontage du turboréacteur. La deuxième partie de l'air pénètre dans le circuit externe, recevant l'énergie du premier étage du pressostat basse pression (celui qui fonctionne sur deux circuits). Dans le circuit externe, l'énergie de l'air est dépensée uniquement pour surmonter les pertes hydrauliques (dues au frottement). Au final, cet air pénètre dans la buse du circuit externe, créant une formidable traction. La poussée créée par le circuit externe peut représenter 80% de la poussée de l'ensemble du moteur.

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un turboréacteur à double flux est le taux de dérivation. Le taux de dérivation est le rapport entre le débit d'air dans le circuit externe et le débit d'air dans le circuit interne. Ce nombre peut être supérieur ou inférieur à un. Sur les moteurs modernes, ce nombre dépasse la valeur de 12 unités.
Les moteurs, dont le degré de double circuit est supérieur à deux, sont généralement appelés turboréacteur, et le premier étage du compresseur (celui qui fonctionne sur les deux circuits) est un ventilateur.


Avion turboréacteur Boeing 757-200. Au premier plan, vous pouvez voir le périphérique d'entrée et le ventilateur

Sur certains moteurs, le ventilateur est entraîné par une turbine séparée, qui est placée le plus près de la buse du circuit interne. Ensuite, le moteur se révèle être à trois arbres. Par exemple, les moteurs Rolls Royce RB211 (installés sur L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) sont fabriqués selon un tel schéma.


D-18T dans le contexte de l'intérieur

Le principal avantage d'un turboréacteur à double flux est la capacité de créer une excellente traction et une bonne efficacité par rapport à un turboréacteur à double flux.

Sur ce point, je voudrais terminer sur le turboréacteur et passer au type de moteur suivant - un théâtre d'opérations.

Moteurs à turbopropulseurs

Un turbopropulseur, comme un turboréacteur, appartient aux moteurs à turbine à gaz. Et cela fonctionne presque comme un turboréacteur. Un turbopropulseur élémentaire est constitué d'éléments que nous connaissons déjà: un compresseur, une chambre de combustion, une turbine et une tuyère. À eux s'ajoutent une boîte de vitesses et une vis.



Le principe de fonctionnement est le même que celui d'un turboréacteur, à la différence près que presque toute l'énergie gazeuse est dépensée sur la turbine pour faire tourner le compresseur et faire tourner la vis à travers la boîte de vitesses (ici, la vis et la boîte de vitesses sont sur le même arbre que le compresseur). La vis crée l'essentiel de la poussée. Le reste, après la turbine, une partie de l'énergie est dirigée vers la tuyère, formant un jet de poussée, mais elle est faible, elle peut représenter un dixième du total. La boîte de vitesses de ce circuit est nécessaire pour réduire les révolutions et transmettre le moment, car la turbine peut tourner à une fréquence très élevée, par exemple 10 000 tours par minute, et la vis n'a besoin que de 1 500. Et la vis est assez lourde.


Conception schématique du théâtre

Mais il existe un autre schéma de turbopropulseurs: avec une turbine libre.
Son essence est qu'une turbine séparée est placée derrière une turbine de compresseur conventionnelle, qui n'est pas connectée mécaniquement à la turbine de compresseur. Une telle turbine est dite gratuite. La connexion entre la turbine du compresseur et la turbine libre est uniquement dynamique au gaz. Un arbre séparé part d'une turbine libre sur lequel est monté un réducteur à vis. Tout le reste fonctionne de la même manière que dans le premier cas. La plupart des moteurs modernes fonctionnent exactement de cette façon. Un des avantages d'un tel schéma est la possibilité d'utiliser le moteur au sol comme unité de puissance auxiliaire (APU) sans déplacer l'hélice.


Conception schématique d'une turbomachine à turbine libre

Je tiens à souligner qu'il n'est pas nécessaire de considérer les turbopropulseurs comme une relique inefficace du passé. J'ai entendu de telles déclarations à plusieurs reprises, mais elles sont incorrectes.
Un turbopropulseur a dans certains cas le plus haut rendement, en règle générale, sur des avions à des vitesses pas très élevées (par exemple, à 500 km / h), de plus, l'avion peut être de taille impressionnante. Dans ce cas, un turbopropulseur peut être plusieurs fois plus rentable que le turboréacteur considéré précédemment.

À ce sujet, vous pouvez terminer sur les turbopropulseurs. Nous avons lentement abordé le concept de turbomoteur.

Moteur turbo

La plupart des lecteurs ici doivent d'abord entendre un tel nom. Ce type de moteur est monté sur des hélicoptères.

Le turbomoteur est très similaire à un turbopropulseur à turbine libre. Il se compose également d'un compresseur, d'une chambre de combustion, d'une turbine de compresseur, puis vient une turbine libre, reliée à tout ce qui précède uniquement dynamiquement au gaz. Mais un tel moteur ne crée pas de poussée de jet, il n'a pas de buse de jet, seulement l'échappement. Une turbine libre a son propre arbre, qui est connecté à la boîte de vitesses principale de l'hélicoptère (rotor). Oui, tous les hélicoptères que je connais ont une telle boîte de vitesses et, en règle générale, elle est de taille impressionnante. Le fait est que la vitesse du rotor de l'hélicoptère est très faible. Si dans un avion, comme je l'ai écrit plus haut, ils peuvent atteindre 1 500 tr / min, puis dans un hélicoptère, par exemple, dans le Mi-8, seulement 193 tr / min.
La vitesse d'un moteur d'hélicoptère est souvent très élevée (en raison de sa petite taille) et doit être réduite une centaine de fois ou plus. Il arrive que la boîte de vitesses soit sur le moteur et sur l'hélicoptère lui-même, par exemple, le Mi-2 et son moteur GTD-350.


Conception schématique d'un turbomoteur


Le moteur TV3-117 de l'hélicoptère Mi-8. Le tuyau d'échappement et l'arbre d'entraînement sont visibles à droite.

Nous avons donc examiné quatre types de moteurs à turbine à gaz. J'espère que mon texte vous a été clair et utile. Toutes les questions et commentaires peuvent être écrits dans les commentaires.

Merci de votre attention.