Comprendre les composants majeurs des moteurs à réaction et leurs fonctions

Un moteur à réaction utilise l'air et le carburant pour produire de la puissance afin de fournir soit une poussée hors de l'échappement, soit d'entraîner un arbre connecté à une hélice ou des pales de rotor. Un moteur à réaction est composé d'une section froide et d'une section chaude. La section froide inclut l'admission, les conduits de dérivation, le compresseur, le diffuseur et l'arbre d'entraînement. La section chaude consiste en une chambre de combustion, une turbine, une tuyère, une postcombustion et l'échappement. Le moteur à réaction fonctionne en aspirant de l'air froid, en le compressant, en le mélangeant avec du carburant, en le combustant, puis en l'expulsant hors de l'échappement. Cet article discutera plus en détail les composants majeurs du moteur à réaction.

Quelles sont les parties de la section chaude d'un moteur à réaction ?

La section chaude d'un moteur à réaction commence à la chambre de combustion, également connue sous le nom de générateur de gaz. C'est là que le gaz chaud est créé et se déplace vers l'arrière en se dilatant à travers les pales de turbine, la tuyère supersonique, la postcombustion et finalement à travers l'échappement. La section chaude est appelée ainsi car elle contient le gaz chaud produit dans la chambre de combustion. Les gaz dans l'échappement varient entre 550–850 °C, ou jusqu'à 1 500 °C avec une postcombustion.

1. Chambre de combustion

La chambre de combustion est l'endroit où l'air et le carburant sont mélangés et enflammés. La chambre de combustion doit ralentir le flux d'air d'environ 80–500 pi/s et créer une zone morte au milieu où la flamme est allumée. Le carburant est tourbillonné autour de la chambre pour assurer un mélange approprié avec l'air. La température des gaz libérés de la chambre de combustion se situe dans la plage de 1 800–2 000 °C. Pour prévenir la fonte de la chambre, deux choses sont nécessaires. Premièrement, une partie de l'air du flux pré-combustion est introduite comme couche limite entre le gaz chaud et la chambre. Deuxièmement, la chambre de combustion est faite d'un alliage de titane revêtu d'un revêtement céramique. Ces revêtements céramiques très minces réduisent la température du matériau à environ 300 °C. Les chambres de combustion en titane sont coulées puis soudées ensemble avant d'avoir un revêtement céramique appliqué.

2. Turbine

Le gaz chaud quitte alors la chambre de combustion et se dilate à des taux rapides. La dilatation du gaz est partiellement absorbée par les pales de turbine pour les faire tourner. Les pales de turbine sont connectées via un arbre d'entraînement aux pales de compresseur pour aspirer de l'air neuf. Les pales de turbine sont fabriquées à partir d'un cristal unique d'alliage à base de nickel pour prévenir le fluage entre les couches limites métalliques. Les pales de turbine sont également revêtues d'un revêtement céramique pour les empêcher de fondre. En plus du revêtement, les pales ont des canaux d'air internes qui permettent à une purge d'air froid de s'évacuer par des trous sur la surface pour créer une couche limite d'air frais sur les pales.

3. Tuyère supersonique

Dans la plupart des moteurs à réaction, la tuyère d'échappement est un conduit convergent. Elle accélère le flux de gaz à une vitesse supersonique pour l'introduction à la vitesse de flux libre à l'extérieur du moteur.

4. Postcombustion

Les postcombustions sont simplement des systèmes d'injection de carburant qui ajoutent du carburant supplémentaire au gaz chaud post-combustion pour ajouter de la puissance supplémentaire au moteur pour une courte durée. Pour un moteur à réaction avec une postcombustion, il y a généralement une double paroi avec un espace d'air entre les deux. Le gaz chaud existant est mélangé avec un flux d'air froid depuis l'avant du moteur à travers l'espace appelé la paroi interne du moteur. Cela empêche aussi la chaleur de se transférer à la structure de l'avion.

5. Échappement

Les gaz d'échappement quittant l'échappement sont dans la plage de 550–850 °C. Pour résister à ces conditions, l'échappement est fait d'un alliage de nickel ou d'un alliage de titane. Un alliage de nickel couramment utilisé est l'Inconel®.

Quelles sont les parties de la section froide d'un moteur à réaction ?

À l'intérieur de la section froide du moteur à réaction, il y a l'admission d'air, le compresseur, les conduits de dérivation, les arbres connectant les pales de compresseur et de turbine, et une section de diffuseur. La section froide du moteur peut en fait être assez chaude en raison du frottement et de la compression de l'air qu'elle subit. Cependant, la section froide est froide comparée à la section chaude du moteur, qui est la chambre de combustion à l'échappement.

1. Admission d'air

Les admissions d'air semblent simples mais sont en fait assez complexes. La géométrie d'une admission d'air est soit convergente soit divergente. Une admission convergente est utilisée pour accélérer l'air à environ 0,5 Mach pour les moteurs qui ont des vitesses en dessous de 0,5 Mach. Les conduits divergents sont utilisés pour ralentir l'air à 0,5 Mach pour les moteurs qui opèrent au-dessus de 0,5 Mach. Les admissions d'air incorporent aussi des systèmes de chauffage pour prévenir l'accumulation de glace qui crée un flux turbulent dans le moteur et peut caler le moteur si elle tombe en gros morceaux.

2. Arbre

Les arbres d'une turbine à gaz transmettent la puissance des disques de turbine à l'arrière du moteur aux pales de compresseur à l'avant pour permettre au compresseur d'aspirer de l'air. Le nombre d'arbres dépend du corps du moteur. Un moteur à corps unique a un disque de compresseur, un disque de turbine et un arbre. Un moteur à double corps a deux disques de compresseur et de turbine et des arbres qui se déplacent indépendamment l'un de l'autre. Les arbres d'un moteur à réaction sont faits d'acier traité thermiquement car ils doivent résister à des températures et couples extrêmes. Les arbres sont généralement usinés à partir de grosses pièces d'acier avec l'utilisation d'un tour.

3. Compresseur

Les compresseurs sont utilisés pour comprimer le flux d'air entrant en augmentant l'énergie cinétique de l'air. Le diffuseur ralentit alors l'air et convertit l'énergie cinétique en énergie potentielle (pression) ce qui augmente l'efficacité du moteur. Le compresseur peut être une turbine à flux radial qui accélère le flux vers l'extérieur vers un diffuseur. Ou le compresseur peut être un compresseur à flux axial qui accélère le flux d'air vers l'arrière vers un diffuseur. Les deux pales sont traditionnellement faites de titane, d'aluminium ou d'acier. Le titane est souvent préféré en raison de son poids léger et sa résistance à la corrosion et au fluage. Les pales en fibre de carbone sont aussi utilisées, notamment dans le moteur GEnx. Les pales de compresseur en métal sont coulées avec du métal fondu, refroidies, puis usinées à leur forme finale.

4. Conduits de dérivation

Les conduits de dérivation permettent à l'air comprimé par le ventilateur de dérivation de voyager autour de l'extérieur du noyau du moteur et d'être soit utilisé comme poussée, soit pour la réintroduction dans le moteur pour des fonctions de refroidissement. Les conduits de dérivation sont une grande section du moteur, donc ils sont généralement faits d'aluminium ou de fibre de carbone pour réduire leur poids. L'aluminium est utilisé pour faire des panneaux qui sont ajustés pour créer le conduit. Les conduits en fibre de carbone sont faits en posant de la fibre de carbone dans un moule et en la durcissant avec une résine. Une fois durcis, les panneaux en fibre de carbone peuvent être installés sur le moteur pour créer le conduit.

5. Section diffuseur

La section diffuseur est utilisée pour transformer l'énergie cinétique de l'air créée par les pales de compresseur en énergie potentielle (pression) pour augmenter l'efficacité de la combustion. Les diffuseurs sont généralement des aubes directrices qui sont essentiellement des pales de compresseur statiques utilisées pour ralentir le flux d'air dans le moteur. Les aubes directrices sont produites soit en acier, soit en alliages à base de nickel tels que l'Inconel®.

Qu'est-ce qu'un moteur à réaction ?

Un moteur à réaction est un moteur construit d'une admission d'air, compresseur, diffuseur, chambre de combustion, turbines et échappement. Les moteurs à réaction fourniront soit une poussée hors de l'échappement, soit entraîneront un disque de turbine qui entraîne une hélice ou un rotor principal d'hélicoptère. Le moteur à réaction fonctionne sur un cycle continu pendant lequel à tout moment un flux d'air est aspiré, comprimé, combusté et expulsé.

Les moteurs à réaction sont de grandes machines complexes qui sont assemblées en pièces. Une fois le design d'un moteur approuvé, les composants doivent être fabriqués. Certains seront faits en interne, mais beaucoup seront apportés d'autres entreprises et ensuite assemblés. Par exemple, le Rolls-Royce Trent est fait en huit modules. Les composants majeurs tels que la chambre de combustion et le compresseur sont construits séparément puis mariés ensemble à la production finale. Après l'assemblage des parties principales, les accessoires tels que le câblage et l'hydraulique sont ajoutés. La phase finale de fabrication est le test, pendant lequel le moteur est exécuté sur un banc d'essai pour s'assurer qu'il répond aux spécifications de performance opérationnelles. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur Qu'est-ce que le moulage d'aluminium ?

Comment fonctionne le moteur à réaction ?

Un moteur à réaction fonctionne en aspirant l'air de l'admission et en le comprimant. La compression est réalisée en accélérant et ralentissant l'air rapidement pour créer de l'énergie cinétique et la transformer en énergie de pression. L'air comprimé est ensuite mélangé avec du carburant et enflammé. Le mélange enflammé se dilate alors rapidement. Le gaz en dilatation accomplit deux choses : premièrement, il entraîne les turbines qui entraînent le compresseur pour aspirer plus d'air. Deuxièmement, il propulse l'avion en partant rapidement comme poussée à travers l'échappement ou en entraînant un ensemble différent de turbines qui entraînent une hélice ou une tête de rotor principal d'hélicoptère.

Comment les moteurs à réaction sont-ils fabriqués ?

Les moteurs à réaction sont de grandes machines complexes qui sont assemblées en pièces. Une fois le design d'un moteur approuvé, les composants doivent être fabriqués. Certains seront faits en interne, mais beaucoup seront apportés d'autres entreprises et ensuite assemblés. Par exemple, le Rolls-Royce Trent est fait en huit modules. Les composants majeurs tels que la chambre de combustion et le compresseur sont construits séparément puis mariés ensemble à la production finale. Après l'assemblage des parties principales, les accessoires tels que le câblage et l'hydraulique sont ajoutés. La phase finale de fabrication est le test, pendant lequel le moteur est exécuté sur un banc d'essai pour s'assurer qu'il répond aux spécifications de performance opérationnelles.

Quelles sont les compositions matérielles du moteur à réaction ?

Les moteurs à réaction sont faits de nombreux matériaux avancés, forts et aussi légers en raison des charges et environnements extrêmes qu'ils subissent. Il faut une quantité incroyable de force pour voler, donc garder le poids au minimum tout en maximisant la puissance est un objectif clé pour les fabricants de moteurs à réaction. La plupart des matériaux sont des alliages métalliques qui incluent :

1. Alliages à base de nickel
2. Alliages à base de cobalt
3. Alliage de titane

Les moteurs utilisent aussi des matériaux non-métalliques tels que :

1. Carbure de silicium
2. Fibre de carbone

La fabrication de moteurs à réaction est extrêmement difficile en raison de leurs conditions d'exploitation extrêmes ainsi que des exigences de sécurité qu'un moteur doit respecter. Les moteurs à réaction sont soumis à des charges thermiques, mécaniques et aérodynamiques extrêmes. Ils doivent aussi avoir un taux d'échec très faible pour des raisons de sécurité. Ces deux facteurs combinés sont ce qui rend la fabrication de moteurs à réaction si difficile.

De plus, certaines pièces de moteurs à réaction sont imprimées en 3D. Bien qu'il soit difficile d'imprimer des pièces de moteur en raison des propriétés mécaniques requises, la production de certaines pièces inclut maintenant cette méthode. Le GE9X de General Electric a des pales de turbine imprimées en 3D qui utilisent le matériau TiAl qui est trop cassant pour être utilisé avec d'autres techniques de fabrication. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur l'Impression 3D dans l'Industrie Aérospatiale.

Comment est le contrôle qualité pour la fabrication des composants de moteur à réaction ?

De nombreux fabricants adhèrent à l'AS9100 qui est l'équivalent aéronautique du Système de Management de la Qualité (SMQ) ISO 9001. L'AS9100 est une norme internationalement reconnue qui définit les exigences pour un management de la qualité efficace. Les exigences incluent la mise en place de systèmes de travail et l'utilisation de la documentation correcte pour assurer que toutes les pièces sont de la bonne qualité et traçables.