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La chambre de combustion: La chambre de combustion est le coeur de la turbo-machine, c'est l'organe qui transforme l'énergie potentielle du carburant en énergie calorifique. Son rôle est de mélanger le carburant et l'air, et de brûler ce mélange puis de diriger les gaz vers la turbines. Cette combustion s'effectue à pression constante. La loi P*V=rt nous donne donc dans ce cas (p=constante) V=kT. Le volume de gaz à évacuer est proportionel à la température. Par conséquent le débit volumique est plus important à la sortie de la chambre qu'à l'entrée. Caractéristiques: Le rapport carburant/air pour obtenir une combustion idéale est d'environ 1/15. On ne peut cependant admettre ce rapport idéal, car la température des gaz brûlés serait trop élevées pour la turbine. La chambre admet donc un rapport beaucoup plus élevé (de 1/50 à 1/80) de façon à refroidir les gaz brûlés pour obtenir une température acceptable devant les turbines. Mais on est obligé de conserver un rapport carburant/air de 1/15 dans la zone de combustion (problème de rendement de conbustion). aussi l'air sortant du compresseur est divisé en 2 flux: - un flux d'air primaire qui réalise la combustion - un flux d'air secondaire relativement frais (500°) qui réalise la dilution (1/45) Un brassage régulier (turbulence) permet l'obtention de température acceptables. La combustion s'effectue en permanence dans une enceinte aménagée de façon à assurer l'écoulement d'air, la pulvérisation de carburant et la détente des gaz. La chambre elle-même est formée d'enveloppes en alliages réfractaire comprenant de nombreux orifices pour le passage de l'air primaire et de l'air secondaire. Les températures de surface sont diminuées par la technologiue dite de “film-cooling”, qui consiste à assurer l'écoulement d'une fine couche d'air protégeant le métal. La fabrication de ces chambres met en oeuvre des procédés comme la presse, le formage, le bombardement électronique. Etant donné les forces contraires thermiques, on utilise des alliages spéciaux résistant aux hautes températures comme par exemple l'alliage nickel-chrome-molybdène.
Les problèmes: Les chambres de combustion doivent satisfaire à des exigences spéciales, et fonctionnent dans des conditions particulièrement difficiles. Les principaux problèmes à résoudre sont les suivant: - volume et poids aussi faibles que possible - flamme stable dans un domaine étendu de fonctionnement, notamment à toutes altitudes (ce problème est surtout sensible sur les machines à turbines libres) - aucune formation de dépot charbonneux susceptibles en s'accumulant, d'entrainer de graves avaries - rendement de combustion aussi bon que possible (c'est a dire réduire au minimum les imbrulés) et ne pas avoir de mélanges trop pauvres. Il faut donc avoir, dans la zone de la flamme, une bonne turbulence et une proportion air-carburant, la meilleure possible. Mais cette proportion donne des températures de l'ordre de 2000°. Il faut donc que la zone de flamme ne touche pas de parties métalliques, et que les gaz soient refroidis énergiquement avant d'être dirigés vers la turbine. Enfin il existe des problèmes métallurgiques divers: - mécaniques: action des gaz, sous pression et en mouvement, sur les différents obstacles (augmentation d'actions pulsatoires dues à la combustion) - de corrosion: les gaz de combustion forment une atmosphère oxydante. Les matériaux devront avoir une haute résistance à la corrosion, afin de conserver leur état de surface, afin d'éviter des pertes par résistance mécanique, des amorces de criques, et des ruptures d'ailettes. - thermiques: le rendement d'un turbomoteur est d'autant meilleur que la température des gaz avant la turbine est élevée, mais on est limité dans cette voie par le fait que les organes essentiels (parois de chambre, aubages fixes et surtout ailettes mobiles de turbine), même constitués en alliages spéciaux, ont une limite de résistance thermique qui doit être strictement observée. Alors que la température de combustion est de 2000°C environ, la température des gaz en contact avec les parties métalliques ne doit pas dépasser 1000°C pour les parties fixes et 800°C pour les parties mobiles.
La turbine: La turbine est l'organe du turbo moteur qui transforme l'énergie de combustion apportée dans la chambre de combustion en énergie mécanique de rotation. Nous allons retrouver ici le processus inverse du compresseur, à savoir: - transformation de la pression en vitesse dans un convergent fixe - transformation de cette vitesse en effet aérodynamiques sur une aube mobile Une turbine sera donc composée d'un ou de plusieurs étages, comprenant chacun: - une grille d'aubages fixes ou distributeur - une roue d'aubage mobile Le distributeur Les aubes fixes sont généralement montées entre deux anneaux cylindriques. L'anneau extérieur se monte dans le carter turbine ou parfois même forme le carter turbine. L'anneau intérieur enveloppe l'arbre liant la turbine au compresseur. Le premier étage distributeur est, par ailleurs, fixé sur la bride arrière de la chambre de combustion. Les aubes distributeurs sont le plus souvent creuses pour permettre le passe de l'air de refroidissement ou de pressurisation. La roue de turbine Elle est constituée d'un disque, à la périphérie duquel on trouve les pales. Le disque est soit solidaire de l'arbre, soit monté sur celui-ci par un accouplement de type curvic-coupling. Pour limiter la conduction de température, ses faces avant et arrières sont refroidies par circulation d'air. Il comporte, en outre, des masses ou des cordons permettant l'équillibrage. Les pales de turbine peuvent être taillées dans la masse ou rapportées par un procédé quelconque. Le procédé le plus utilisé est la fixation dite en pied de sapin, qui permet de répartir convenablement les efforts (plus facile à construire que dans la masse et de plus offre l'avantage de pouvoir changer des pales endommagées en cours de vie). Les pales rapportées sont, par ailleurs, disposées de façon à réaliser l'équilibrage statique et dynamique du rotor. Le jeu entre l'extrémité des pales et le carter extérieur est d'une grande importance. Il doit être ajusté pour obtenir un bon rendement (fuite minimum) sans provoquer la touche des pales (lors de la dilatation des métaux).
Le fluage Les turbines, et en particulier les pales, sont soumises à des contraintes mécaniques importantes (du fait de la force centrifuge) et à des très hautes températures. Il est fondamental de limiter ces contraintes afin d'éviter la détérioration des pales. En effet si les contraintes sont trop fortes, il peut se produire un glissement des molécules constituant le métal et un rallongement de la pale. Ce phénomène s'appelle le fluage et il importe de bien le connaitre, et bien entendu, d'éviter son apparition pendant le fonctionnement du GTM.
La tuyère: La tuyère est le système d'échappement du Turbomoteur. Elle a pour but d'assurer la détente des gaz pour obtenir une poussée maximale dans le cas d'un turboréacteur et le minimum dans le cas d'un turbomoteur. Dans un turbomoteur, la détente se fait principalement dans le turbine et l'augmentation de poussée n'étant pas souhaitée, la tuyère forme un passage divergent. Elle peut avoir des formes et des équipements différents: - axiale pour les hélicoptères monomoteurs - latérale pour les bimoteurs - à déviateur de jets, pour diminuer la signature infrarouge Sur les petits moteurs on se sert de la vitesse de sortie des gaz pour créer une dépression au travers d'un conduit, ce qui permet d'avoir une ventilation forcée des radiateurs de refroidissement d'huile moteur et BTP.
Les turbines libres: Cette dernière conception à été choisie pour son adaptation facile dans les configurations des bi et tri moteurs. On distingue alors: - le générateur de gaz: compresseur + chambre de combustion + un étage turbine (qui fournit l'énergie nécessaire au compresseur). - la turbine libre: constituée d'un ou plusieurs étages turbines. Il n'y a aucune liaison mécanique entre les deux parties d'un tel turbomoteur. On peut donc supprimer l'embrayage et la roue libre, le couplage des arbres s'effectuant automatiquement. Le générateur entraine les accessoires, la turbine libre entraine les rotors et le régulateur.
Le groupe moteur comprend deux ensembles tournants. Le premier est un générateur de gaz dont le fonctionnement est semblable à celui d'un turbo réacteur. Le second (turbine libre ou turbine de puissance) entraine la prise de mouvement liée au récepteur. Les 2 ensembles tournent à des vitesses différentes et le générateur a son fonctionnement pratiquement indépendant de la turbine libre et fonction du débit carburant La turbine libre a son fonctionnement défini par l'équilibre entre l'énergie reçue du générateur et celle prise par le récepteur. Elle est mécaniquement liée a la boite de transmission principale du rotor. Fonctionnement: Le régulateur du générateur détecte directement la vitesse de rotation de la turbine libre et donc par voie de conséquence le régime de rotation du rotor principal. Si le régulateur détecte un manque de tour, il va augmenter le débit de kérozène dans la chambre de combustion, augmentant la température des gaz et donc le volume d'air en sortie sur la turbine puis la turbine libre. Dû à cette augmentation, la turbine libre reçoit plus de puissance, s'accelére et donc, le régime rotor augmente. Inversement si les tours rotors deviennent trop élevés, le régulateur réduit l'alimentation de carburant et ainsi la turbine libre va ralentir. Par conséquent, la régulation entre un GTM à turbine liée et un à turbine libre et radicalement différente. La turbine liée, le régulateur fera tout pour tenir une vitesse de rotation constante. la turbine libre, le régulateur fera tout pour tenir une vitesse de rotation de turbine libre constante, mais la vitesse de rotation du générateur ne cessera de changer durant le vol. A une phase de vol correspondra une vitesse de rotation de turbine, généralement exprimée en % de tours maximum (exemple, un turmo3c4 a une vitesse de rotation maximale de 33000 tr/min. Lors d'un vol a 94%, les générateurs ne tourneront qu'a 31020 tr/min
pale
disque
Curving coupling
aubes
labyrinthe
anneau segment
pale
pied de sapin
frein
Configurations
GTM turbine libre Prise de mouvement arrière
GTM turbine libre Prise de mouvement avant (renvoi par arbre extérieur)
Compresseur Axial
Compresseur Centrifuge
roue axiale
diffuseur
roue
1° diffuseur
2° diffuseur
Coupe d'une chambre de combustion Turboméca
tole de turbulence avant
bague de refroidissement
labyrinthe
tole de turbulence arrière
arbre
distributeur turbine
partie interne
partie avant mélangeur
tube de dilution
partie arrière mélangeur
carburant
gaz
air refroidissement - négligeable
air dilution 1/45
air conbustion: 1g carb / 15g air
air compresseur total 1 / 60
Par son utilisation, le Turbo moteur ne diffère en rien du classique moteur à pistons. C'est en effet une machine qui produit de l'énergie mécanique disponible sur un arbre et qui peut être utilisée pour entraîner toutes sortes de machines résistantes (alternateurs, compresseurs, hélices de bateau, d'avion, rotor d'hélicoptère, etc...). Il est souvent nommé par l'abréviation GTM (groupe turbo moteur) Remarque: Il ne faut pas confondre le turbo moteur et le turbo réacteur. Le turbo réacteur fournit l'énergie cinétique par éjection des gaz à grande vitesse, ce qui créé une poussée (principe de la réaction; sa turbine ne prend que l'énergie nécessaire à entraîner le compresseur). Le turbo moteur recueille dans sa turbine le maximum d'énergie possible, et produit ainsi de l'énergie mécanique disponible sur un arbre de rotation. En se référant aux différents schémas d'énergies des GTM, on constate que les turbomoteurs ne fournissent que 40% de puissance au rotor, les 60% restants étant absorbés par les compresseurs. Exemple de l'artouste 3 en atmosphère standard: puissance turbine totale, 2640Cv, puissance absorbée par les compresseurs,1760Cv, pour une puissance disponible sur l'arbre de 880Cv. Il existe deux types de GTM: Les turbines liées: Ce sont les plus anciennes. Le turbomoteur ne comporte qu'un seul arbre allant du compresseur à la Boite de Transmission Principale, on interpose uniquement un embrayage et une roue libre avant la BTP. On distingue 3 groupes dans ce moteur: - compression: entrée d'air - étages compresseur - combustion: chambre de combustion - détente: turbine - tuyère L'entrée d'air: L'entrée d'air est le conduit destiné à capter l'air et à l'amener dans les meilleures conditions possibles à l'entrée du compresseur. Sa forme est étudiée pour que la résistance à l'avancement soit aussi faible que possible et que l'écoulement soit régulier dans tout le domaine de fonctionnement. Dans un turbomoteur, l'entrée d'air est généralement de section régulière et, ainsi elle n'assure pratiquement pas de transformation thermodynamique. Mais il y a un phénomène d'aspiration créé par la proximité du compresseur. L'entrée d'air moteur proprement dite est le plus souvent réalisée par un carter qui forme la partie avant du moteur. Outre le passage de l'air, le carter peut assurer le logement d'organes annexes (réducteur par exemple) et supporter des accessoires. Le plus souvent c'est un ensemble en alliage léger (alliage d'aluminium ou de magnésium) obtenu par fonderie et usinage. Il peut comporter des dispositifs divers tels que: réducteur de bruit, anti-givrage, filtrage anti-sable, grilles de protection, etc... Il existe trois types d'entrée d'air: - les latérales à ouïes (artouste 2 par exemple sur alouette II). Inconvénient, elles offrent une mauvaise répartition de l'alimentation en air du compresseur. - les annulaires (astazou tous types sur gazelles et certaines alouette III). Elles offrent une meilleure répartition de l'air mais il y a phénomène de “vissage” du compresseur qui créé des effort axiaux importants. - les dynamiques (turno, makila...). Entrée d'air frontales, elles permettent de bénéficier de la vitesse de l'hélicoptère ce qui facilité l'aspiration de l'air. Les compresseurs: Le compresseur a pour rôle d'aspirer l'air extérieur, de le compresser et de le refouler enfin dans la chambre de combustion en grande quantité. Le principe de tous les compresseurs est d'absorber une certaine masse d'air, d'augmenter sa vitesse absolue, puis de transformer cette vitesse en pression. Un compresseur se compose d'un ou plusieurs ensembles appelés étages. Nous avons les étages axiaux et les centrifuges. Chaque étage se compose d'une partie mobile (rotor) et d'une partie fixe (stator). Le Rotor, appelé ROUE, est constitué d'aubes mobiles qui augmentent la vitesse absolue de l'air et la pression dans une moindre mesure. Le Stator, appelé diffuseur redresseur, est constitué d'aubes fixes où la vitesse absolue est transformée en pression par la divergence de la section de passage (diffuseur). L'écoulement de l'air est par ailleur redressé (redresseur). Dans les compresseurs des GTM, il existe quasiment toujours un étage centrifuge. Dans le cas de moteur à puissance augmentée, on suralimente le compresseur centrifuge par un ou plusieurs compresseurs axiaux. A titre d'exemple: - artouste II: 1 centrifuge P2 = 3,7 bar P = 406 Cv - astazou III: 1 centrifuge + 1 axial P2 = 5,8 bar P = 600 Cv - astazou XIV: 1 centrifuge + 2 axiaux P2 = 7,6 bar P = 800 Cv Comparaison entre le compresseur axial et le centrifuge: Axial - encombrement en diamètre faible - les rapports de pression sont faibles avec de nouveaux étages, il est possible d'obtenir des taux de compression élevés - ce sont des compresseurs qui peuvent donner de grands débits d'air - leur fabrication, en particulier les ailettes, est délicate - leur susceptibilité au décrochage est assez grande Centrifuge - l'encombrement en diamètre est important, on est généralement limité par le diamètre extérieur du compresseur - leur taux de compression sont importants - leur fabrication est simple du point de vue usinage, ils sont robustes et ont un bon rendement - ils exigent un équilibrage parfait, et surtout ils supportent mal les survitesses Dans certaines turbo machines, la compression est assurée par un compresseur type axial, suivi d'un compresseur de type centrifuge. Ci dessous la solution turboméca consiste a utiliser un compresseur axial transonique pour suralimenter un compresseur centrifuge.
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