Comprendre les principaux composants du moteur à réaction et leurs fonctions

Un moteur à réaction utilise de l'air et du carburant pour produire de l'énergie afin de fournir une poussée hors de l'échappement ou d'entraîner un arbre relié à une hélice ou à des pales de rotor. Un moteur à réaction est composé d’une section froide et chaude. La section froide comprend l'admission, les conduits de dérivation, le compresseur, le diffuseur et l'arbre d'entraînement. La section chaude comprend une chambre de combustion, une turbine, une buse, une postcombustion et un échappement. Le moteur à réaction fonctionne en aspirant de l'air froid, en le comprimant, en le mélangeant avec du carburant, en le brûlant, puis en l'expulsant des gaz d'échappement. Cet article abordera plus en détail les principaux composants du moteur à réaction.

Quelles sont les pièces d'une section chaude d'un moteur à réaction ?

La partie chaude d’un moteur à réaction démarre au niveau de la chambre de combustion, également appelée générateur de gaz. C'est là que les gaz chauds sont créés et se déplacent vers l'arrière en passant par les aubes de la turbine, la tuyère supersonique, la post-combustion et enfin par l'échappement. La partie chaude est appelée ainsi car elle contient les gaz chauds produits dans la chambre de combustion. Gaz dans la plage d'échappement comprise entre 550 et 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 à 500 pieds/s et créer une zone morte au milieu où la flamme s'allume. Le carburant tourbillonne autour de la chambre pour assurer un bon mélange avec l'air. La température des gaz libérés par la chambre de combustion est comprise entre 1 800 et 2 000 °C. Pour éviter que la chambre ne fonde, deux choses sont nécessaires. Premièrement, une partie de l'air provenant du flux d'air de pré-combustion est introduite comme couche limite entre les gaz chauds et la chambre. Deuxièmement, la chambre de combustion est constituée d’un alliage de titane recouvert d’un revêtement céramique. Ces revêtements céramiques très fins réduisent la température du matériau jusqu'à environ 300 °C. Les chambres de combustion en titane sont coulées puis soudées ensemble avant d'être recouvertes d'un revêtement céramique.

2. Turbine

Les gaz chauds quittent ensuite la chambre de combustion et se dilatent rapidement. La dilatation du gaz est partiellement absorbée par les aubes de la turbine pour les faire tourner. Les aubes de la turbine sont reliées via un arbre d'entraînement aux aubes du compresseur pour aspirer de l'air neuf. Les aubes de turbine sont fabriquées à partir d'un seul cristal d'alliage à base de nickel pour empêcher le fluage entre les couches limites métalliques. Les aubes de turbine sont également recouvertes d'un revêtement céramique pour éviter qu'elles ne fondent. En plus du revêtement, les pales sont dotées de canaux d'air internes qui permettent à l'air froid de s'échapper des trous sur la surface pour créer une couche limite d'air frais sur les pales.

3. Buse supersonique 

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

4. Postcombustion

Les post-combustion sont simplement des systèmes d'injection de carburant qui ajoutent du carburant supplémentaire à la post-combustion des gaz chauds pour ajouter de la puissance supplémentaire au moteur pendant une courte durée. Pour un moteur à réaction avec postcombustion, il y a généralement une double paroi avec un entrefer entre les deux. Les gaz chauds existants sont mélangés à un flux d’air froid provenant de l’avant du moteur à travers l’espace appelé paroi interne du moteur. Cela empêche également la chaleur de se transférer à la structure de l'avion. 

5. Échappement

Les gaz d'échappement sortant des gaz d'échappement se situent dans la plage de 550 à 850 °C. Pour résister à ces conditions, l'échappement est réalisé en alliage de nickel ou en alliage de titane. L’Inconel® est un alliage de nickel couramment utilisé. 

Quelles sont les pièces d'une section froide d'un moteur à réaction ?

À l’intérieur de la section froide du turboréacteur se trouvent l’entrée d’air, le compresseur, les conduits de dérivation, les arbres reliant le compresseur et les aubes de la turbine, ainsi qu’une section diffuseur. La section froide du moteur peut en fait être très chaude en raison de la friction et de la compression de l’air qu’elle subit.  Cependant, la partie froide est froide par rapport à la partie chaude du moteur, qui est la chambre de combustion jusqu'à l'échappement.

1. Prise d'air

Les prises d'air semblent simples mais sont en réalité assez complexes. La géométrie d’une entrée d’air est soit convergente, soit divergente. Une admission convergente est utilisée pour accélérer l'air jusqu'à environ 0,5 Mach pour les moteurs dont la vitesse est inférieure à 0,5 Mach. Des conduits divergents sont utilisés pour ralentir l'air jusqu'à 0,5 Mach pour les moteurs fonctionnant à plus de 0,5 Mach. Les prises d'air intègrent également des systèmes de chauffage pour empêcher l'accumulation de glace qui crée un flux turbulent dans le moteur et peut faire caler le moteur s'il 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 aubes du compresseur à l'avant pour permettre au compresseur d'aspirer de l'air. Le nombre d'arbres dépend du tiroir du moteur. Un moteur à bobine unique possède un disque de compresseur, un disque de turbine et un arbre. Un corps double comporte deux disques et arbres de compresseur et de turbine qui se déplacent indépendamment l'un de l'autre. Les arbres d’un moteur à réaction sont fabriqués en acier traité thermiquement car ils doivent résister à des températures et à des couples extrêmes. Les arbres sont généralement usinés à partir de grosses pièces d’acier à l’aide 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. Le compresseur peut également être un compresseur à flux axial qui accélère le flux d'air vers l'arrière vers un diffuseur. Les deux lames sont traditionnellement fabriquées en titane, en aluminium ou en acier. Le titane est souvent préféré en raison de son poids léger et de sa résistance à la corrosion et au fluage. Des pales en fibre de carbone sont également utilisées, notamment dans le moteur GEnx. Les aubes de compresseur en métal sont coulées avec du métal en fusion, refroidies, puis usinées jusqu'à leur forme finale. 

4. Conduits de dérivation

Les conduits de dérivation permettent à l'air comprimé par le ventilateur de dérivation de circuler à l'extérieur du noyau du moteur et d'être utilisé soit comme poussée, soit pour la réintroduction dans le moteur pour les fonctions de refroidissement. Les conduits de dérivation représentent une grande partie du moteur, ils sont donc généralement fabriqués en aluminium ou en fibre de carbone pour réduire leur poids. L'aluminium est utilisé pour fabriquer des panneaux qui sont installés pour créer le conduit. Les conduits en fibre de carbone sont fabriqués en déposant 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 désamorceur

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

Qu'est-ce qu'un moteur à réaction ?

Un moteur à réaction est un moteur constitué d'une entrée d'air, d'un compresseur, d'un diffuseur, d'une chambre de combustion, de turbines et d'un échappement. Les moteurs à réaction fourniront une poussée hors de l'échappement ou entraîneront un disque de turbine qui entraîne une hélice ou un rotor principal d'hélicoptère. Le moteur à réaction fonctionne selon un cycle continu au cours duquel, à tout moment, un flux d’air est aspiré, comprimé, brûlé et expulsé. 

Les moteurs à réaction sont de grandes machines complexes assemblées en pièces détachées. Une fois la conception d’un moteur approuvée, les composants doivent être fabriqués. Certains d’entre eux seront fabriqués en interne, mais beaucoup seront importés d’autres entreprises puis assemblés. Par exemple, la Rolls-Royce Trent est composée de huit modules. Les principaux composants tels que la chambre de combustion et le compresseur sont construits séparément puis assemblés lors de la production finale. Après l'assemblage des pièces principales, des accessoires tels que le câblage et l'hydraulique sont ajoutés. La dernière étape de la fabrication est celle des tests, au cours desquels le moteur est testé sur un banc d'essai pour garantir qu'il répond aux spécifications de performances opérationnelles. Pour plus d'informations, consultez notre guide 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 obtenue en accélérant et en ralentissant rapidement l'air pour créer de l'énergie cinétique et la transformer en énergie de pression. L'air comprimé est ensuite mélangé au carburant et enflammé. Le mélange enflammé se dilate alors rapidement. Le gaz en expansion réalise deux choses :premièrement, il entraîne les turbines qui entraînent le compresseur à aspirer plus d'air. Deuxièmement, il propulse l'avion soit en sortant rapidement sous forme de poussée à travers l'échappement, soit en entraînant un ensemble différent de turbines qui entraînent une hélice ou une tête de rotor principal d'un hélicoptère. 

Comment les moteurs à réaction sont-ils fabriqués ?

Les moteurs à réaction sont de grandes machines complexes assemblées en pièces détachées. Une fois la conception d’un moteur approuvée, les composants doivent être fabriqués. Certains d’entre eux seront fabriqués en interne, mais beaucoup seront importés d’autres entreprises puis assemblés. Par exemple, la Rolls-Royce Trent est composée de huit modules. Les principaux composants tels que la chambre de combustion et le compresseur sont construits séparément puis assemblés lors de la production finale. Après l'assemblage des pièces principales, des accessoires tels que le câblage et l'hydraulique sont ajoutés. La dernière étape de la fabrication est celle des tests, au cours desquels le moteur est exécuté sur un banc d'essai pour garantir qu'il répond aux spécifications de performances opérationnelles.

Quelles sont les compositions matérielles du moteur à réaction ?

Les moteurs à réaction sont fabriqués à partir de nombreux matériaux avancés, solides et légers en raison des charges et des environnements extrêmes auxquels ils sont confrontés. Il faut une force incroyable pour voler, donc maintenir 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 comprennent :

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

Les moteurs utilisent également 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 de fonctionnement extrêmes ainsi que des exigences de sécurité auxquelles un moteur doit se conformer. Les moteurs à réaction sont soumis à des charges thermiques, mécaniques et aérodynamiques extrêmes. Ils doivent également présenter un taux de défaillance très faible pour des raisons de sécurité. Ces deux facteurs combinés rendent la fabrication de moteurs à réaction si difficile. 

De plus, certaines pièces des 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 désormais cette méthode. Le GE9X de General Electric est doté d'aubes de turbine imprimées en 3D qui utilisent le matériau TiAl, trop fragile 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 se déroule le contrôle qualité pour la fabrication des composants de moteurs à réaction ?

De nombreux fabricants adhèrent à l'AS9100 qui est l'équivalent aéronautique du système de gestion de la qualité (QMS) ISO 9001. AS9100 est une norme internationalement reconnue qui définit les exigences d'une gestion efficace de la qualité. Les exigences incluent la mise en œuvre de systèmes de travail et l’utilisation de la documentation appropriée pour garantir que toutes les pièces sont de bonne qualité et traçables.