Turboréacteur : taux de dilution ; turbines contrarotatives ; arbre BP

[Maym]

Bonjour,

J'ai trois questions concernant les turboréacteurs.

La 1ère concerne les architectures à fort taux de dilution (UHBR : ultra high by-pass ratio) sur un double corps double flux.
1) En quoi l'augmentation du taux de dilution (rapport flux secondaire et flux primaire) permet d'augmenter le rendement propulsif ?
2) Pourquoi vise-t-on une faible vitesse d'éjection de l'air en sortie de flux secondaire ? Pourquoi ne vise-t-on pas justement beaucoup de masse et beaucoup de vitesse pour augmenter la force générée ?
3) L'ajout d'un réducteur permet de découpler la vitesse de rotation du fan et de la turbine. Cherche-t-on à tourner moins vite au niveau du fan ? Si oui, pourquoi, alors que le but est de capter le + d'air possible (j'aurais donc tendance à me dire que plus le fan tourne vite, plus il absorbera d'air, à diamètre égal) ?
4) Une architecture sans réducteur est-elle envisageable pour avoir un fort taux de dilution ?
5) Comment peut-on jouer sur le rendement thermique ?
6) Les vitesses de l'air en sortie de circuit primaire et de circuit secondaire doivent-elles être les mêmes ?

La deuxième question concerne le fait que les turbines HP et BP sont contrarotatives la plupart du temps dans les turboréacteurs. Pourtant, comme les deux turbines n'ont pas la même vitesse de rotation, et que sur une architecture à réducteur le fan a également une vitesse de rotation différente que la turbine BP, on obtient un delta de vitesses de rotation de toutes manières. Comment se traduit l'effet de couple sur un turboréacteur ? Que se passerait-il si les turbines tournaient dans le même sens ?

La troisième question concerne l'arbre BP : comment est-il retenu axialement ? Je suppose qu'il passe dans des roulements et qu'il est lié à la turbine BP par un système de transmission, mais est-ce que ce sont les paliers uniquement qui assurent l'arrêt axial ?

Merci d'avance !
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[Dynamix]

Salut

Pourquoi ne vise-t-on pas justement beaucoup de masse et beaucoup de vitesse pour augmenter la force générée ?

On ne peut pas avoir le beurre et l' argent du beurre .
Pourquoi augmenter la force générée ? Elle doit être juste conforme au besoin .
Plus blanc que blanc ce n' est pas mieux que blanc .

j'aurais donc tendance à me dire que plus le fan tourne vite, plus il absorbera d'air, à diamètre égal

Pourquoi "à diametre égal" ?
On diminue la vitesse et on augmente le diamètre .

Pourquoi vise-t-on une faible vitesse d'éjection de l'air en sortie de flux secondaire ?

Pour obtenir la poussée on donne à l' air un quantité de mouvement : m.v
En même temps on lui donne de l' énergie cinétique (m.v).v/2
Tout ce qu' on dépense pour déplacer de l' air , c' est de l' énergie perdue .
Pour un même m.v , on a donc intérêt à minimiser v et augmenter m pour minimiser l' énergie (m.v).v/2

[Maym]

Salut Dynamix, merci pour ta réponse

Salut

On diminue la vitesse et on augmente le diamètre .

Et pourquoi ne pas augmenter la vitesse de rotation du fan et en même temps son diamètre pour maximiser le débit ? Sur une architecture à réducteur, vaut-il mieux avoir un fan qui tourne peu vite et un grand diamètre (qui rentre dans les spécifications d'encombrement) ou bien un petit diamètre et une vitesse de rotation plus élevée ? Si les deux reviennent à la même chose, qu'est-ce qui est décidant ?

Pour obtenir la poussée on donne à l' air un quantité de mouvement : m.v
En même temps on lui donne de l' énergie cinétique (m.v).v/2
Tout ce qu' on dépense pour déplacer de l' air , c' est de l' énergie perdue .
Pour un même m.v , on a donc intérêt à minimiser v et augmenter m pour minimiser l' énergie (m.v).v/2

Merci pour cette réponse. J'ai une autre question qui me vient concernant les OGV (Outlet Guide Vane) qui permettent de redresser l'air en provenance du fan. J'ai lu qu'il y a des OGV à calage variable, mais je ne comprends pas où intervient le besoin de recaler l'angle des pales lors d'un vol, car j'ai tendance à croire que l'air qui passe à travers le fan aura la même trajectoire mais des vitesses différentes aux différentes étapes du vol ?

[Dynamix]

Et pourquoi ne pas augmenter la vitesse de rotation du fan et en même temps son diamètre pour maximiser le débit ?

Si tu veux augmenter les deux , il faut plus d' énergie .

Si les deux reviennent à la même chose, qu'est-ce qui est décidant ?

Si les deux fournissent la même poussée , ce qui est décidant , c' est l' énergie .

les OGV (Outlet Guide Vane)

vat ist zis ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Maym]

vat ist zis ?

Tu as une représentation ici : http://4.bp.blogspot.com/--AjqiFuwMI...0+With+OGV.jpg

[Dynamix]

j'ai tendance à croire que l'air qui passe à travers le fan aura la même trajectoire mais des vitesses différentes aux différentes étapes du vol ?

Pour une même vitesse de rotation , l' incidence des pales est plus élevée quand la vitesse de l' air entrant est faible et il est donc beaucoup plus dévié .

[saint.112]

1) Pour tout moteur à réaction, turboréacteur, hélice, moteur fusée, etc., la pression de l'air à la sortie s'oppose à l'éjection de l'air ou des gaz et provoque d'importantes turbulences, faisant donc chuter l'efficacité¹. Les moteurs fusée ont ainsi une plus faible ISP au niveau de la mer que dans le vide spatial. Cette perte d'efficacité est donc fonction de la vitesse relative entre l'air et les gaz. De ce point de vue les moteurs cryotechniques dont les gaz sortent à plus de 4000 km/h sont les plus pénalisés.
On cherche donc à rapprocher le plus possible la vitesse d'éjection de la vitesse de l'avion.
Les premiers moteurs à réaction sans soufflante avaient donc un rendement bien moins bon et partant une consommation bien plus élevée que les moteurs modernes. Depuis les années 60 le taux de dilution n'a cessé d'augmenter. C'est pour cela que pour les avions relativement lents, de l'ordre de 500 km/h, on préfère les hélices qui, avec leur grand diamètre, brassent plus d'air donc plus lentement. C'est aussi pour cela que les pales des hélicoptères, qui verticalement font du sur-place, sont très longues.
Autre point important : le bruit. Plus les gaz sont rapides plus ils font de bruit. Les moteurs fusée émettent ~150 dB, de quoi tuer un homme. Dans les turbo-fans l'ajout de turbines fait tomber la vitesse des gaz et le flux d'air de la soufflante qui enveloppe celui des gaz a un effet amortisseur. Le bruit des avions a donc formidablement chuté au cours des décennies au fur et à mesure que le diamètre des moteurs augmentait, en même temps que leur rendement s'améliorait.
2) Il n'y a pas de miracle : pour une puissance donnée tu obtiens un rapport donné entre la masse éjectée et sa vitesse. Si tu augmentes l'une tu diminues l'autre. C'est bien pour diminuer la seconde qu'on augmente la première.
3 et 4) À ma connaissance il n'y a pas de réducteur. Selon les fabricants et les modèles il y a deux ou trois arbres pour le(s) compresseur(s) et la soufflante, leurs turbines respectives étant conçues pour tourner à des vitesses optimales pour l'étage correspondant.
5) Cela consiste essentiellement à augmenter la pression et la température dans la chambre de combustion, donc à utiliser des matériaux spéciaux, titane, carbone, etc.
6) Qu'est-ce que tu appelles le circuit ?
7) Que les arbres tournent en sens contraire permet de diminuer l'effet gyroscopique.
8) Les arbres sont bien entendu maintenus sur des paliers qui à ma connaissance sont à film d'huile et non à roulements, lesquels sont plus fragiles et ont une friction plus importante. En règle générale, en mécanique, on préfère les premiers aux seconds si l'on a possibilité de les alimenter en huile. Il n'y a que ça dans un moteur de voiture par exemple.

Nico

1. Contrairement à une idée reçue fort répandue un moteur à réaction ne s'appuie pas sur l'air environnant, ce qui signifierait qu'il n'y aurait pas de propulsion possible dans l'espace.

[Bluedeep]

3 et 4) À ma connaissance il n'y a pas de réducteur.

Si, si; enfin parfois; par exemple, le Pratt et Whitney 1000G. (G comme "Geared", justement - bon, à vrai dire, je ne connais pas d'autres exemples, mais je ne suis pas du tout spécialiste).

EDIT : pris d'un doute, j'ai "googlé" avec "geared turbofan"; et il y en a quelques uns :
https://en.wikipedia.org/wiki/Geared_turbofan

[Dynamix]

Si, si; enfin parfois;

Comment relier des arbres tournant à des vitesses différente sans passer par des engrenages ?
Et des roulement à billes .

Comment se traduit l'effet de couple sur un turboréacteur ?

Si le flux est bien redressé , le moment cinétique de l' air est nul , et le couple est nul .

[Maym]

Pour une même vitesse de rotation , l' incidence des pales est plus élevée quand la vitesse de l' air entrant est faible et il est donc beaucoup plus dévié .

Du coup, si le fan a une faible vitesse de rotation, l'air après le fan ira moins vite. Le but est de le redresser car il n'a pas le bon angle, c'est ça ? Dans ce cas, peu importe la vitesse à laquelle il impacte les redresseurs, il sera dévié du même angle, non ? Enfin j'imagine que s'il y a des OGV à calage variable ce n'est pas pour rien mais je ne vois pas trop.

[Bluedeep]

Comment relier des arbres tournant à des vitesses différente sans passer par des engrenages ?
Et des roulement à billes .

Il y a les transmissions hydrauliques (utilisées avec les moteurs "turbo compound" post 2GM; cf. Wright 3350 qui équipait le Constellation par exemple)

[Dynamix]

J' ignorais qu' on avais mis de turboréacteurs sur le constellation

[Bluedeep]

J' ignorais qu' on avais mis de turboréacteurs sur le constellation

Vous devriez attentivement lire avant de répondre.

[Dynamix]

J' ais lu très attentivement le titre et la question de Maym , ça ne parle pas de moteur à pistons

[Bluedeep]

J' ais lu très attentivement le titre et la question de Maym , ça ne parle pas de moteur à pistons

Vous écriviez : "Comment relier des arbres tournant à des vitesses différente sans passer par des engrenages ?". (cette question n'est pas contextualisée au turbo-réacteur)

Je vous répond que dans les cas de certains Turbo Compound la liaison mécanique entre la turbine et l'arbre d'hélice était hydraulique.

A moins que vous imaginiez qu'une liaison turbine-hélice et turbine-compresseur ne soit pas comparable ?

Partant de là, deux hypothèses : ou vous ne lisez pas, ou vous vous moquez du monde.

[Dynamix]

cette question n'est pas contextualisée au turbo-réacteur

Elle est implicitement contextualisée au sujet , comme devrait l' être toute réponse .

[saint.112]

Si, si; enfin parfois; par exemple, le Pratt et Whitney 1000G. (G comme "Geared", justement - bon, à vrai dire, je ne connais pas d'autres exemples, mais je ne suis pas du tout spécialiste).

En effet, j'ignorais l'existence de ces modèles. Cela dit, en mécanique on essaie de réduire autant que possible le nombre d'engrenages qui consomment de l'énergie, qui sont lourds, qui réclament de la maintenance et qui sont chers. Il faut donc avoir besoin comme ici d'un fort taux de réduction de vitesse.

Et des roulement à billes.

Pour les mêmes raisons que ci-dessus, on essaie de ses passer de paliers à roulements, qu'on utilise quand on ne peut pas faire autrement.
Certains constructeurs (Panhard je crois) ont produit des moteurs de voiture avec des paliers à roulements pour le vilebrequin et les bielles. Ça a été abandonné et ça n'a pas fait école.

Nico

[Bluedeep]

Certains constructeurs (Panhard je crois) ont produit des moteurs de voiture avec des paliers à roulements pour le vilebrequin et les bielles. Ça a été abandonné et ça n'a pas fait école.

Sur la 24CT, de mémoire (avec les cylindres borgnes, le rappel des soupapes par barre de torsion, et les 6 étriers de freins à disques).

[saint.112]

Sur la 24CT, de mémoire (avec les cylindres borgnes, le rappel des soupapes par barre de torsion, et les 6 étriers de freins à disques).

Panhard, le spécialiste des innovations pas forcément pertinentes.
Nico