LES TURBOMACHINES
Principe général de fonctionnement
Le principe de la propulsion des avions à réaction s'appuie sur la troisième loi énoncée par Issac Newton en 1687 dans le premier volume de son Philosophiae Naturalis Principia Mathematica : tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B.
Action-réaction
La réaction est la conséquence d'une action. Prenons comme exemple un ballon que l'on gonfle. La paroi du ballon subit une certaine pression et se dilate. Si le ballon est bien fermé, la résultante des forces de pression à l'intérieur du ballon est nulle. (figure de gauche)
Maintenant ouvrons l'embouchure du ballon (figure de droite): les gaz en s'échappant créent l’énergie de propulsion (action) et provoquent le déplacement du ballon (réaction tant que la pression interne des gaz sera suffisante).
On distingue deux catégories de propulseurs :
Les propulseurs qui emmènent leur carburant (kérosene ou autre) mais utilisent l’air ambiant comme comburant :
- les statoréacteurs ;
- les pulsoréacteurs ;
- les turboréacteurs ;
- les moteurs à hélices (turbopropulseurs, hélicoptères).
Et les propulseurs qui emmènent leur carburant (hydrogène liquide ou kérosène, etc.) et leur propre comburant (oxygène liquide ou autre).
- les moteurs de fusée.
Principe de fonctionnement
Le fonctionnement des turboréacteurs s’appuie sur le principe d’action-réaction : il s’agit d’accélérer une masse d’air pour créer une force de poussée qui, par réaction, va propulser l’avion. Toutes les architectures de turboréacteurs reposent sur les 3 mêmes étapes, à savoir : Compression - Combustion - Détente.
Au démarrage, de l'air comprimé fourni par l'APU (auxiliary power unit) ou par un groupe pneumatique au sol met en rotation un compresseur qui aspire et comprime l’air ambiant pour l’envoyer vers une ou plusieurs chambres de combustion. Simultanément, une pompe entraînée par l'intermédiaire d'un boitier de transmission ou AGB accessory gearbox (en anglais) injecte du carburant (kérosène).
Ce mélange air comprimé/carburant est enflammé dans cette ou ces chambres par une bougie ou plusieurs bougies (allumeurs), ce qui permet de dilater fortement les gaz.
Ces gaz traversent une ou plusieurs turbines qui entraînent à l’aide d’un arbre rotatif le compresseur et les accessoires indispensables au fonctionnement du réacteur ( pompe à carburant, alternateur, etc.) ; ce qui permet d’assurer la continuité du mouvement.
Les gaz s’échappent ensuite dans une tuyère de section convergente afin de les accélérer en sortie.
Après quelques secondes, lorsque le régime de rotation est suffisant, le démarreur est désaccouplé et la bougie éteinte. Le moteur peut alors fonctionner de façon autonome pour atteindre son régime de ralenti.
Ci-dessous le Turbomeca Marboré VI visible au Musée de l'Air à Paris Le-Bourget
Note : Sur certains avions légers ou ne possédant pas d'APU (hélicoptères), le lancement en rotation du compresseur se fait par un démarreur électrique.
Calcul de la poussée d'un turboréacteur
La poussée d'un turboréacteur résulte de l'accélération de l'air entre l'entrée (manche à air) et la sortie (tuyère).
Elle est obtenue par la combustion d'un carburant, généralement du kérosène, dans l'oxygène de l'air. Une partie de l'énergie produite est récupérée par une turbine et sert à comprimer, à l'entrée du réacteur, l'air, utilisé comme comburant. Définition Wikipedia
La poussée d'un turboréacteur peut être calculée approximativement à partir de l'équation :
Fpoussée = Qm x (V sortie - V entrée)
Qm = Débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)
V entrée = Vitesse d'entrée des gaz dans le compresseur (en m/s)
V sortie= Vitesse de sortie des gaz de la tuyère (en m/s)
Qm x V entrée = correspond à la force de traînée de l'entrée d'air
Qm x V sortie = représente la poussée à la sortie de la tuyère.
Le turboréacteur ne créera une poussée vers l'avant que si la vitesse d'échappement des gaz est supérieure à la vitesse de l'avion.
