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Moteurs Comment fonctionne un moteur à réaction ? Qu’est-ce que la poussée ? Parties d’un moteur à réaction Le premier moteur à réaction – Petite histoire des premiers moteurs Types de moteurs à réaction Turboréacteurs Turbopropulseurs Turbofans Turboshafts Ramjets Moteurs

Comment fonctionne un moteur à réaction ?

Les moteurs à réaction font avancer l’avion avec une grande force qui est produite par une énorme poussée et qui fait que l’avion vole très vite.

Tous les moteurs à réaction, qui sont aussi appelés turbines à gaz, fonctionnent sur le même principe. Le moteur aspire l’air à l’avant grâce à un ventilateur. Un compresseur augmente la pression de l’air. Le compresseur est constitué de nombreuses pales fixées à un arbre. Les pales tournent à grande vitesse et compriment ou pressent l’air. L’air comprimé est ensuite pulvérisé avec du carburant et une étincelle électrique allume le mélange. Les gaz en combustion se dilatent et sortent par la buse, à l’arrière du moteur. Lorsque les jets de gaz sont projetés vers l’arrière, le moteur et l’avion sont poussés vers l’avant. Lorsque l’air chaud se dirige vers la tuyère, il passe par un autre groupe d’aubes appelé turbine. La turbine est fixée sur le même arbre que le compresseur. La rotation de la turbine entraîne la rotation du compresseur.

L’image ci-dessous montre comment l’air circule dans le moteur. L’air passe à travers le noyau du moteur ainsi qu’autour du noyau. Cela fait qu’une partie de l’air est très chaude et une autre partie est plus froide. L’air plus froid se mélange alors avec l’air chaud à la zone de sortie du moteur.

C’est une image de la façon dont l’air circule dans un moteur

Qu’est-ce que la poussée ?

La poussée est la force vers l’avant qui pousse le moteur et, par conséquent, l’avion vers l’avant. Sir Isaac Newton a découvert que pour « toute action, il existe une réaction égale et opposée. » Un moteur utilise ce principe. Le moteur aspire un grand volume d’air. L’air est chauffé, comprimé et ralenti. L’air est poussé à travers de nombreuses pales en rotation. En mélangeant cet air avec du kérosène, la température de l’air peut atteindre jusqu’à trois mille degrés. L’énergie de l’air est utilisée pour faire tourner la turbine. Enfin, lorsque l’air sort, il est poussé vers l’arrière du moteur. Cela provoque le déplacement de l’avion vers l’avant.

Parties d’un moteur à réaction

Ventilateur – Le ventilateur est le premier composant d’un turbofan. La grande soufflante en rotation aspire de grandes quantités d’air. La plupart des pales de la soufflante sont en titane. Il accélère ensuite cet air et le divise en deux parties. Une partie continue à travers le « noyau » ou le centre du moteur, où elle est actionnée par les autres composants du moteur.

La seconde partie « contourne » le noyau du moteur. Elle passe par un conduit qui entoure le noyau jusqu’à l’arrière du moteur où elle produit une grande partie de la force qui propulse l’avion vers l’avant. Cet air plus froid permet de rendre le moteur silencieux tout en ajoutant de la poussée au moteur.

Compresseur – Le compresseur est le premier composant du cœur du moteur. Le compresseur est composé de ventilateurs avec de nombreuses pales et attachés à un arbre. Le compresseur comprime l’air qui entre en lui dans des zones de plus en plus petites, ce qui entraîne une augmentation de la pression de l’air. Il en résulte une augmentation du potentiel énergétique de l’air. L’air comprimé est forcé de pénétrer dans la chambre de combustion.

Combustion – Dans la chambre de combustion, l’air est mélangé au combustible, puis enflammé. Il y a jusqu’à 20 buses pour pulvériser le combustible dans le flux d’air. Le mélange d’air et de combustible s’enflamme. On obtient ainsi un flux d’air à haute température et à haute énergie. Le combustible brûle avec l’oxygène de l’air comprimé, produisant des gaz chauds en expansion. L’intérieur de la chambre de combustion est souvent constitué de matériaux céramiques pour offrir une chambre résistante à la chaleur. La chaleur peut atteindre 2700°.

Turbine – Le flux d’air à haute énergie qui sort de la chambre de combustion entre dans la turbine, ce qui fait tourner les pales de la turbine. Les turbines sont reliées par un arbre pour faire tourner les pales dans le compresseur et pour faire tourner le ventilateur d’admission à l’avant. Cette rotation prélève une partie de l’énergie du flux à haute énergie qui est utilisée pour entraîner le ventilateur et le compresseur. Les gaz produits dans la chambre de combustion traversent la turbine et font tourner ses pales. Les turbines du jet tournent des milliers de fois. Elles sont fixées sur des arbres qui ont plusieurs jeux de roulements à billes entre eux.

Tuyère – La tuyère est le conduit d’échappement du moteur. C’est la partie du moteur qui produit réellement la poussée de l’avion. Le flux d’air appauvri en énergie qui a passé la turbine, en plus de l’air plus froid qui a contourné le cœur du moteur, produit une force à la sortie de la tuyère qui agit pour propulser le moteur, et donc l’avion, vers l’avant. La combinaison de l’air chaud et de l’air froid est expulsée et produit un échappement, qui provoque une poussée vers l’avant. La tuyère peut être précédée d’un mélangeur, qui combine l’air à haute température provenant du cœur du moteur avec l’air à plus basse température qui a été dérivé dans la soufflante. Le mélangeur permet de rendre le moteur plus silencieux.

Le premier moteur à réaction – Petite histoire des premiers moteurs

Sir Isaac Newton au 18ème siècle a été le premier à théoriser qu’une explosion canalisée vers l’arrière pouvait propulser une machine vers l’avant à une grande vitesse. Cette théorie était basée sur sa troisième loi du mouvement. Lorsque l’air chaud souffle vers l’arrière à travers la tuyère, l’avion se déplace vers l’avant.

Henri Giffard a construit un dirigeable qui était propulsé par le premier moteur d’avion, une machine à vapeur à trois chevaux. Il était très lourd, trop lourd pour voler.

En 1874, Felix de Temple, a construit un monoplan qui a volé juste un petit saut en bas d’une colline avec l’aide d’un moteur à vapeur alimenté au charbon.

Otto Daimler, à la fin des années 1800 a inventé le premier moteur à essence.

En 1894, l’Américain Hiram Maxim a essayé d’alimenter son triple biplan avec deux moteurs à vapeur alimentés au charbon. Il n’a volé que pendant quelques secondes.

Les premiers moteurs à vapeur étaient alimentés par du charbon chauffé et étaient généralement beaucoup trop lourds pour le vol.

L’Américain Samuel Langley a fait un modèle d’avion qui était alimenté par des moteurs à vapeur. En 1896, il a réussi à faire voler un avion sans pilote avec un moteur à vapeur, appelé l’Aerodrome. Il a volé sur environ 1,5 km avant de manquer de vapeur. Il a ensuite essayé de construire un avion de taille normale, l’Aerodrome A, avec un moteur à gaz. En 1903, il s’est écrasé immédiatement après avoir été lancé d’un bateau-maison.

En 1903, les frères Wright ont volé, The Flyer, avec un moteur à gaz de 12 chevaux.

De 1903, l’année du premier vol des frères Wright, à la fin des années 1930, le moteur à combustion interne alternatif à gaz avec une hélice était le seul moyen utilisé pour propulser les avions.

C’est Frank Whittle, un pilote britannique, qui a conçu et breveté le premier turboréacteur en 1930. Le moteur Whittle a effectué son premier vol avec succès en mai 1941. Ce moteur comportait un compresseur à plusieurs étages, et une chambre de combustion, une turbine à un étage et une tuyère.

Au même moment où Whittle travaillait en Angleterre, Hans von Ohain travaillait sur une conception similaire en Allemagne. Le premier avion à utiliser avec succès un moteur à turbine à gaz fut le Heinkel He 178 allemand, en août 1939. C’était le premier vol au monde propulsé par un turboréacteur.

General Electric a construit le premier moteur à réaction américain pour l’avion à réaction de l’US Army Air Force . Il s’agissait de l’avion expérimental XP-59A qui a volé pour la première fois en octobre 1942.

Types de moteurs à réaction

Turboréacteurs

L’idée de base du turboréacteur est simple. L’air aspiré par une ouverture à l’avant du moteur est comprimé à 3 à 12 fois sa pression d’origine dans un compresseur. Du carburant est ajouté à l’air et brûlé dans une chambre de combustion pour porter la température du mélange fluide à environ 1 100°F à 1 300°F. L’air chaud qui en résulte passe dans une turbine, qui entraîne le compresseur. Si la turbine et le compresseur sont efficaces, la pression au refoulement de la turbine sera presque deux fois supérieure à la pression atmosphérique, et cette pression excédentaire est envoyée vers la tuyère pour produire un flux de gaz à grande vitesse qui produit une poussée. Une augmentation substantielle de la poussée peut être obtenue en utilisant une postcombustion. Il s’agit d’une deuxième chambre de combustion placée après la turbine et avant la tuyère. La postcombustion augmente la température des gaz en amont de la tuyère. Le résultat de cette augmentation de température est une augmentation d’environ 40 % de la poussée au décollage et un pourcentage beaucoup plus important à grande vitesse une fois que l’avion est dans les airs.

Le turboréacteur est un moteur à réaction. Dans un moteur à réaction, les gaz en expansion poussent fortement contre l’avant du moteur. Le turboréacteur aspire l’air et le comprime ou le presse. Les gaz traversent la turbine et la font tourner. Ces gaz rebondissent et sortent par l’arrière de l’échappement, poussant l’avion vers l’avant.

Turbopropulseurs

Un turbopropulseur est un moteur à réaction fixé à une hélice. La turbine à l’arrière est mise en rotation par les gaz chauds, et cela fait tourner un arbre qui entraîne l’hélice. Certains petits avions de ligne et de transport sont propulsés par des turbopropulseurs.

Comme le turboréacteur, le turbopropulseur est composé d’un compresseur, d’une chambre de combustion et d’une turbine, la pression de l’air et des gaz est utilisée pour faire fonctionner la turbine, qui crée alors de la puissance pour entraîner le compresseur. Par rapport à un turboréacteur, le turbopropulseur a une meilleure efficacité de propulsion à des vitesses de vol inférieures à environ 500 miles par heure. Les turbopropulseurs modernes sont équipés d’hélices qui ont un diamètre plus petit mais un plus grand nombre de pales pour un fonctionnement efficace à des vitesses de vol beaucoup plus élevées. Pour s’adapter à ces vitesses de vol plus élevées, les pales sont en forme de cimeterre avec des bords d’attaque inclinés vers l’arrière à leur extrémité. Les moteurs dotés de telles hélices sont appelés propfans.

Picture de turbopropulseur

Turbofans

Un turbofan possède une grande soufflante à l’avant, qui aspire l’air. La plus grande partie de l’air circule autour de l’extérieur du moteur, ce qui le rend plus silencieux et donne plus de poussée à basse vitesse. La plupart des avions de ligne actuels sont équipés de turboréacteurs. Dans un turboréacteur, tout l’air entrant dans l’admission passe par le générateur de gaz, qui est composé du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine. Dans un turboréacteur à double flux, seule une partie de l’air entrant entre dans la chambre de combustion. Le reste passe par une soufflante, ou un compresseur basse pression, et est éjecté directement sous forme de jet « froid » ou mélangé aux gaz d’échappement du générateur de gaz pour produire un jet « chaud ». L’objectif de ce type de système de dérivation est d’augmenter la poussée sans augmenter la consommation de carburant. Il y parvient en augmentant le débit total de la masse d’air et en réduisant la vitesse dans le cadre de la même fourniture totale d’énergie.

Picture du moteur turbofan

Turboshafts

C’est une autre forme de moteur à turbine à gaz qui fonctionne comme un système turbopropulseur. Il n’entraîne pas d’hélice. Au lieu de cela, il fournit de la puissance pour un rotor d’hélicoptère. Le turbomoteur est conçu de telle sorte que la vitesse du rotor de l’hélicoptère est indépendante de la vitesse de rotation du générateur de gaz. Cela permet de maintenir la vitesse du rotor constante même lorsque la vitesse du générateur varie pour moduler la quantité d’énergie produite.

Picture du turbomoteur

Ramjets

Le statoréacteur est le moteur à réaction le plus simple et ne comporte aucune pièce mobile. La vitesse du jet « rame » ou force l’air dans le moteur. Il s’agit essentiellement d’un turboréacteur dans lequel les machines rotatives ont été omises. Son application est limitée par le fait que son taux de compression dépend entièrement de la vitesse d’avancement. Le statoréacteur ne développe aucune poussée statique et très peu de poussée en général en dessous de la vitesse du son. Par conséquent, un statoréacteur nécessite une forme de décollage assisté, comme un autre avion. Il a été utilisé principalement dans les systèmes de missiles guidés. Les véhicules spatiaux utilisent ce type de jet.

Picture de statoréacteur

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