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Turboréacteur

Généralités et histoire

Le turboréacteur est une turbomachine produisant une poussée par réaction.

• Le principe du turboréacteur a été inventé quasi-simultanément par Sir Frank Whittle en Angleterre et par le Dr. Hans von Ohain en Allemagne dans les années 1930.
• Le premier turboréacteur fut construit par Whittle en 1935 et tourna au banc en 1936. Mais ce fut von Ohain qui fit voler le premier turboréacteur sur un Heinkel He 178 en 1939.
• Les premiers avions à réaction construits en série furent des chasseurs utilisées à la fin de la Seconde Guerre mondiale.
• Après guerre, les turboréacteurs et turbopropulseurs se généralisèrent, aussi bien dans l'aviation militaire que civile.
• Les turboréacteurs d'aujourd'hui sont des machines d'une extrême complexité. Le développement d'un nouveau moteur demande des moyens humains, technologiques et financiers considérables que seules quelques rares entreprises possèdent dans le monde.
• Si le rendement et la fiabilité de ces moteurs se sont considérablement améliorés depuis leurs débuts, leur coût est très important, et représente en général pour un avion civil le tiers du coût total de l'appareil.

Principe

Le turboréacteur produit une poussée par la détente de gaz chauds et à haute pression dans sa tuyère d'éjection.

• Ces gaz sont produits par une chambre de combustion brûlant un carburant (en général du kérosène mais pas toujours) avec de l'air comprimé issu d'un compresseur.
• Ce dernier aspire l'air extérieur par une manche à air. Il est en général (mais pas forcément) mû par une turbine actionnée par les gaz sortants de la chambre de combustion.
• Successivement, on trouve donc en général la manche à air, le compresseur, la chambre de combustion, la turbine et la tuyère d'éjection.

Les différents types de turboréacteurs

Simple et double corps

Les premiers turboréacteurs étaient munis d'un simple compresseur centrifuge mû par une turbine.

• Pour gagner en efficacité ils ont rapidement étés munis de compresseurs axiaux a plusieurs étages tournant à la même vitesse. On parlait alors de compresseurs (et de moteurs) simple corps, car turbine et compresseur formaient un unique ensemble cinématique.
• Pour accroître encore l'efficacité, le compresseur a été divisé en deux parties successives, à basse et haute pression, mues désormais par deux turbines successives haute et basse pression. On parle alors de moteurs double corps.
• Aujourd'hui, tous les moteurs sont à double corps, voire à triple corps.

Simple et double flux

• Les moteurs sont dits à simple flux quand la totalité de l'air admis traverse le moteur.
  • Les turboréacteurs à simple flux sont très bruyants et n'atteignent leur meilleur rendement qu'au-delà de mach1.
• Bien plus économiques aux vitesses plus basses et moins bruyants, les turboréacteurs à double flux sont apparus dans les années 60.
  • Dans ces moteurs, les premiers étages du compresseur basse pression (souvent réduits à un seul qu'on appelle soufflante ou « fan ») sont de grandes dimensions pour aspirer de grandes quantités d'air. L'air pré-comprimé par la soufflante ne passe pas intégralement par le moteur, mais une partie (le flux froid) le contourne par sa périphérie jusqu'à la tuyère où il est éjecté avec les gaz chauds (flux chaud).
  • Cela permet, pour des vitesses modérées (en dessous de mach 1,5 environ) d'augmenter la poussée par augmentation du débit de gaz et de réduire considérablement le niveau de bruit.
  • La proportion d'air contournant le moteur est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. ** Cette proportion est exprimée par le taux de dilution, égal au rapport du flux total(chaud + froid) massique sur le flux chaud massique.
  • Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique ont souvent un taux de dilution autour de 1,5 alors que les moteurs civils pour avions de ligne, optimisés pour des croisières autour de mach 0,8, peuvent approcher des taux de dilution de 10. De tels moteurs tirent l'essentiel de leur poussée du flux froid et se rapprochent de turbines couplées à des hélices carénées.

Turbopropulseurs

C'est l'ensemble constitué d'une hélice mue par une turbomachine qui convertit l'essentiel de l'énergie des gaz produits en énergie mécanique. Ce n'est pas à proprement parler un moteur à réaction mais un turbopropulseur est très semblable à un turboréacteur double flux à très haut taux de dilution dont la soufflante ne serait pas carénée. Les limitations aérodynamiques des hélices limitent son utilisation à des vitesses inférieures à mach 0,7 environ.

Autour du turboréacteur

Post-combustion

Essentiellement utilisée sur les avions militaires supersoniques, la post-combustion consiste à injecter et enflammer du carburant dans un canal prolongeant la tuyère du turboréacteur. Cela permet d'augmenter considérablement la poussée d'un turboréacteur au prix d'une augmentation importante de la consommation. Utilisée depuis les années 50, la post-combustion fut longtemps le seul moyen d'atteindre des vitesses supersoniques qu'on ne pouvait maintenir très longtemps à cause de la consommation importante engendrée. Les chasseurs modernes sont capables de passer le mach sans PC et donc de tenir plus longtemps de telles vitesses. On parle alors de « croisière supersonique ». La post-combustion est néanmoins toujours utilisée comme réserve de puissance pour faire des pointes de vitesses ou de fortes accélérations.

Le turboréacteur, générateur de puissance

A bord d'un avion, civil ou militaire, le turboréacteur n'est pas seulement un organe propulsif. Il fournit aussi toute l'énergie disponible à bord sous forme électrique, hydraulique et pneumatique et alimente le système de pressurisation et de conditionnement d'air. Le groupe moteur est ainsi souvent appelé « générateur de puissance » ou « powerplant ».

Domaine d'utilisation

• Les turboréacteurs sont utilisés sur tous les avions civils moyen et gros porteurs, car ils sont les seuls à pouvoir atteindre des vitesses transsonique (entre mach 0,8 et mach1) de manière économique.
• Les turbopropulseurs équipent en général des avions moins rapides (autour de 500Km/h) et de plus faible capacité (moins de 80 passagers).
• Seuls les petits avions de tourisme et, les ULM sont encore équipés de moteurs à explosion à pistons.
• Dans l'aviation militaire, l'utilisation du turboréacteur s'est généralisée, elle a permis d'atteindre et de dépasser le mur du son. les turbopropulseurs équipent des avions d'entraînement et quelques appareils de transport logistique peu rapides, mais capables de se passer de vraies pistes d'atterrissage.