Tout savoir sur les principaux composants d'un moteur d'avion

Avez-vous déjà regardé un avion qui vous survole en vous demandant ce qui le fait avancer ? Moteurs à réaction sont des machines étonnantes qui propulsent les avions dans le ciel. Dans cet article, nous allons découvrir les principales pièces des moteurs à réaction et la manière dont elles fonctionnent ensemble pour rendre le vol possible.

Comment les moteurs à réaction alimentent l'aviation moderne

Moteurs à réaction sont des machines puissantes qui rendent possibles les voyages aériens modernes. Ils aspirent l'air, le compriment, le mélangent à du carburant, brûlent le mélange et expulsent les gaz chauds pour créer la poussée. Cette poussée fait avancer l'avion dans le ciel.

Il existe plusieurs types de moteurs à réaction. Les principaux sont les suivants :

• Turboréacteurs (moteurs simples pour avions très rapides)
• Turbofans (moteurs à gros ventilateurs utilisés par la plupart des avions de ligne)
• Turbopropulseurs (moteurs qui entraînent les hélices des petits avions)

Examinons les principaux éléments qui composent ces machines étonnantes !

Composants principaux d'un moteur à réaction

A. Système d'admission d'air

Le entrée d'air est la partie avant du moteur qui aspire l'air nécessaire au fonctionnement du moteur. Elle doit :

• Ralentir l'air entrant à la bonne vitesse
• Diriger cet air en douceur vers le moteur
• Fonctionne bien à différentes vitesses et hauteurs

Les avions qui volent en dessous de la vitesse du son (la plupart des avions commerciaux) utilisent des prises d'air simples et arrondies. Les avions supersoniques (comme les avions de chasse) ont besoin de prises d'air spéciales avec des pièces mobiles pour gérer l'air très rapide.

B. Section des compresseurs

Après l'entrée de l'air dans le moteur, le compresseur Le compresseur le comprime pour le rendre prêt à être brûlé. Le compresseur comporte de nombreuses pales qui poussent l'air dans un espace de plus en plus restreint, augmentant ainsi sa pression et sa température.

Il en existe deux types principaux :

• Compresseurs axiaux: Les moteurs à réaction ont des rangées de pales qui poussent l'air directement vers l'arrière (utilisés dans la plupart des gros moteurs à réaction).
• Compresseurs radiaux: Pousse l'air vers l'extérieur à partir du centre (utilisé dans les petits moteurs)

Le compresseur a également aubes de stator (pales fixes) entre les pales en rotation pour aider à diriger correctement le flux d'air. Les moteurs modernes ont souvent les deux haute pression et basse pression des sections qui tournent à des vitesses différentes pour une meilleure performance.

C. Chambre de combustion (Combustor)

Le chambre de combustion c'est là que la magie opère ! C'est dans cette chambre en forme d'anneau que le carburant est mélangé à l'air comprimé et brûlé. Cette combustion crée des gaz chauds et en expansion qui alimentent le moteur.

La chambre de combustion doit

• Mélanger complètement le carburant et l'air
• Maintenir la flamme allumée
• Manipuler des températures extrêmes (plus de 2 000°F)
• Protéger le reste du moteur de la chaleur

Il existe trois principaux types de chambres de combustion :

1. Annulaire: Une chambre unique en forme d'anneau (la plus courante dans les moteurs modernes)
2. Can-annulaire: Plusieurs chambres en forme de tube disposées en anneau
3. Flux inversé: Lorsque l'air revient vers l'avant avant de brûler

Les chambres de combustion modernes utilisent des techniques de refroidissement spéciales pour éviter que les parois métalliques ne fondent sous l'effet de la chaleur intense.

D. Assemblage de la turbine

Après la combustion du combustible dans la chambre de combustion, les gaz chauds s'engouffrent dans la chambre de combustion. section de la turbine. La turbine comporte des rangées de pales spéciales qui tournent au passage des gaz chauds. Ce mouvement de rotation :

• Alimente le compresseur à l'avant du moteur
• Fournit de l'énergie aux systèmes électriques de l'avion
• Fait tourner le ventilateur dans les turbosoufflantes

Les turbines doivent résister à des températures extrêmement élevées. Elles sont fabriquées à partir d'alliages spéciaux capables de supporter la chaleur. Les turbines modernes sont dotées de minuscules canaux de refroidissement à l'intérieur des pales qui pompent de l'air frais pour éviter la fonte.

La section de la turbine comporte généralement les deux éléments suivants turbines à haute pression (HPT) relié au compresseur haute pression, et turbines à basse pression (LPT) connecté au ventilateur ou au compresseur basse pression.

E. Système d'échappement

Le système d'échappement manipule les gaz chauds après leur passage dans les turbines. Il comprend

• Le cône d'échappement qui aide à guider les gaz
• Le buse qui accélère les gaz pour créer plus de poussée

Les différents types de buses sont les suivants :

• Buses convergentes: Ils se rétrécissent pour accélérer l'échappement (utilisés sur la plupart des avions commerciaux).
• Buses divergentes: Ils s'élargissent pour permettre un échappement supersonique (utilisé sur les jets militaires).
• Buses à vecteur de poussée: Ils peuvent changer de direction pour aider les avions à virer rapidement.

De nombreux avions ont également inverseurs de poussée qui redirigent les gaz d'échappement vers l'avant lors de l'atterrissage afin d'arrêter l'avion plus rapidement. Ce sont des dispositifs de sécurité qui empêchent l'avion de glisser sur des pistes mouillées ou verglacées.

F. Systèmes de soutien

Au-delà des composants principaux, les moteurs à réaction ont besoin de plusieurs systèmes de soutien pour fonctionner correctement :

• Roulements et lubrification: Des roulements spéciaux et des systèmes d'huile assurent le bon fonctionnement des pièces en rotation.
• FADEC (Full Authority Digital Engine Control) : Systèmes informatiques qui surveillent et contrôlent le moteur
• Purge du système d'air: Prend de l'air comprimé du moteur pour.. :
• Pressuriser la cabine pour que les passagers puissent respirer à haute altitude.
• Chauffer les ailes pour éviter la formation de glace
• Démarrer le moteur
• Refroidir les pièces chaudes du moteur

Ces systèmes d'appui sont essentiels au fonctionnement sûr et efficace du moteur.

Variations dans la conception des moteurs à réaction

Tous les moteurs à réaction ne sont pas identiques. Examinons les principaux types :

Turboréacteurs

Ce sont les moteurs à réaction les plus simples. Ils :

• Pousser l'air directement dans le moteur
• sont très bruyants
• Fonctionne bien à grande vitesse
• Consommer beaucoup de carburant
• Ils étaient courants sur les premiers avions à réaction, mais sont rarement utilisés aujourd'hui, sauf dans certaines applications militaires.

Moteurs à turbines

La plupart des avions de ligne modernes utilisent les turbopropulseurs. Ils ont un grand ventilateur à l'avant qui :

• Aspire beaucoup plus d'air qu'il n'en passe par le cœur.
• Envoi de la plus grande partie de l'air à l'extérieur du moteur ("air de dérivation")
• Crée la majeure partie de la poussée de manière plus efficace
• Fonctionne plus silencieusement que les turboréacteurs

Le taux de dérivation (la quantité d'air qui circule autour du noyau par rapport à celle qui le traverse) est très importante. Les moteurs modernes, comme le GE90 des Boeing 777 et le Trent XWB des Airbus A350, ont des taux de dilution élevés pour une meilleure efficacité énergétique. La présente l'ingénierie de précision nécessite un usinage complexe pour créer les motifs complexes des pales de ventilateur.

Moteurs à turbopropulseurs

Moteurs à turbopropulseurs utilisent le cœur d'une turbine à gaz pour faire tourner une hélice par l'intermédiaire d'un réducteur. Ils :

• sont plus efficaces à des vitesses moyennes (300-400 mph)
• Consommer moins de carburant que les moteurs à réaction
• Convient bien aux avions régionaux et aux avions-cargos
• Ils sont moins bruyants dans la cabine que les turbosoufflantes.

Moteurs Ramjet/Scramjet

Ces moteurs n'ont pas de pièces mobiles et ne fonctionnent qu'à des vitesses très élevées :

• Ramjets fonctionner de Mach 3 à Mach 6 (3 à 6 fois la vitesse du son)
• Les jets d'eau peut fonctionner au-dessus de Mach 6
• Tous deux sont utilisés principalement dans les missiles et les avions expérimentaux.
• Ils ne peuvent pas travailler à l'arrêt et ont besoin d'un autre moteur pour se déplacer rapidement en premier lieu

Systèmes avancés et innovations

La technologie des moteurs à réaction ne cesse de s'améliorer. Voici quelques développements de pointe :

Buses à vecteur de poussée

Les avions militaires tels que le F-22 Raptor utilisent vectorisation de la poussée où la buse d'échappement peut être orientée dans différentes directions :

• Rendre l'avion super-maniable
• Permettre des changements de direction rapides
• Permettre des décollages et des atterrissages plus courts

Fabrication additive

Impression 3D modifie la façon dont les pièces de moteur sont fabriquées :

• Des canaux de refroidissement complexes peuvent être imprimés directement sur les pales des turbines
• Les pièces qui étaient auparavant fabriquées en plusieurs exemplaires peuvent désormais être imprimées en une seule fois.
• Réduction du poids et amélioration des performances
• Permet de réaliser rapidement des prototypes et de tester de nouvelles conceptions

Nombreux Procédés d'usinage CNC sont toujours utilisées, parallèlement à l'impression 3D, pour créer des pièces de moteur de précision.

Composites à matrice céramique (CMC)

Ces matériaux étonnants :

• Peut résister à des températures plus élevées que les métaux
• Poids inférieur à celui des matériaux traditionnels
• Permettre aux moteurs de fonctionner plus chaudement et plus efficacement
• Nécessite moins d'air de refroidissement, ce qui améliore les performances

Propulsion hybride-électrique

Les entreprises développent des moteurs qui combinent :

• Turbines à gaz traditionnelles avec moteurs électriques
• Batteries pour une alimentation supplémentaire ou de secours
• Potentiel de réduction des émissions
• Une gestion de l'énergie plus souple

Science des matériaux dans les moteurs à réaction

Les différentes parties des moteurs d'avion nécessitent des matériaux différents pour répondre à des défis spécifiques :

Alliages de titane

Utilisés principalement dans la section des compresseurs parce qu'ils :

• ont un rapport résistance/poids élevé
• Résister à la corrosion
• Peut supporter une chaleur modérée
• Réduire le poids total du moteur

Aubes de turbine monocristallines

Les pales des turbines modernes sont fabriquées à partir de monocristaux de métal :

• Ne présentent pas de joints de grains où des fissures peuvent se former
• Résiste à la chaleur extrême sans se déformer
• Durée de vie beaucoup plus longue que les lames conventionnelles
• Permettre aux moteurs de fonctionner plus chaudement et plus efficacement

La fabrication avancée de ces composants nécessite souvent Usinage à 5 axes pour une précision parfaite.

Revêtements à barrière thermique (TBC)

Ces revêtements céramiques spéciaux :

• Protéger les pièces métalliques de la chaleur extrême
• Permettre des températures de fonctionnement plus élevées
• Augmenter la durée de vie du moteur
• Améliorer l'efficacité énergétique

Sécurité et maintenance des composants critiques

La sécurité des moteurs à réaction nécessite des procédures de maintenance strictes :

Résilience aux chocs d'oiseaux

Les pales du ventilateur doivent pouvoir :

• Résiste aux impacts des oiseaux
• Continuer à fonctionner après un dommage
• Contenir les pièces cassées à l'intérieur du carter du moteur
• Éviter d'endommager le reste de l'avion

Surveillance de la température des gaz d'échappement (EGT)

Cette mesure critique :

• Indique si le moteur est trop chaud
• Aide à prévoir les défaillances des pièces
• Guide les calendriers d'entretien
• Prévenir les défaillances catastrophiques

Détection des fissures dans les disques de turbine

Des techniques spéciales permettent de détecter les petites fissures avant qu'elles ne deviennent dangereuses :

• Le contrôle par ultrasons utilise des ondes sonores pour détecter les défauts cachés
• Le ressuage rend visibles les fissures minuscules
• Les rayons X et la tomodensitométrie permettent d'examiner l'intérieur des pièces
• Des inspections régulières permettent d'éviter les catastrophes

Études de cas sur les moteurs à réaction modernes

GE9X : le plus grand moteur à turbines du monde

Ce moteur massif destiné au Boeing 777X :

• Le ventilateur a un diamètre de 134 pouces (plus de 11 pieds !)
• Une poussée de 134 300 livres
• Utilise des pales de ventilateur en composite de fibre de carbone
• Amélioration de la consommation de carburant de 10% par rapport aux moteurs précédents
• Buses de carburant imprimées en 3D pour un meilleur mélange du carburant

Rolls-Royce Trent XWB : champion de l'efficacité

Ce moteur équipe l'Airbus A350 :

• Est l'un des gros turbopropulseurs les plus efficaces en service
• Poussée de 97 000 livres
• Offre un rendement énergétique 15% supérieur à celui des moteurs précédents
• Utilise des pales de ventilateur creuses en titane
• Comprend un système de compresseur avancé avec un rapport de pression de 50:1

Pratt & Whitney F135 : la puissance militaire

Ce moteur est destiné à l'avion de chasse F-35 Lightning II :

• Produit plus de 43 000 livres de poussée
• Possibilité de décollage court et d'atterrissage vertical
• Incorpore des caractéristiques de furtivité pour réduire la signature radar
• Comprend des commandes numériques avancées pour des performances précises

De nombreux composants de ces moteurs avancés nécessitent usinage de précision des métaux pour répondre à des spécifications précises.

FAQ sur les composants des moteurs d'avion

L'avenir de la technologie des moteurs à réaction

La technologie des moteurs à réaction continue de progresser de manière passionnante :

• Combustion d'hydrogène: Moteurs pouvant brûler de l'hydrogène au lieu du kérosène, ne produisant que de l'eau à l'échappement.
• Carburants d'aviation durables (SAF): Des carburants renouvelables pour remplacer les carburéacteurs conventionnels
• Conceptions à rotor ouvert: Moteurs à pales de ventilateur exposées qui sont beaucoup plus efficaces mais posent des problèmes de bruit.
• Propulsion distribuée: Plusieurs petits moteurs répartis dans l'avion au lieu de quelques gros.
• Matériaux avancés: Nouveaux composites et céramiques permettant des températures plus élevées et un poids plus léger

Résumé

Les moteurs à réaction sont des machines étonnantes dont les nombreux composants spécialisés fonctionnent parfaitement ensemble. De l'entrée d'air à l'avant au système d'échappement à l'arrière, chaque pièce joue un rôle essentiel dans la création de la poussée qui alimente les vols modernes.

Les principaux éléments que nous avons couverts sont les suivants :

1. Le entrée d'air qui capte et dirige l'air vers le moteur
2. Le compresseur qui comprime l'air à haute pression
3. Le chambre de combustion où le carburant brûle avec l'air comprimé
4. Le turbine qui extrait l'énergie des gaz chauds
5. Le système d'échappement qui accélère les gaz pour créer la poussée
6. Divers systèmes de soutien qui assurent le bon fonctionnement de l'entreprise

Au fur et à mesure que la technologie progresse, les moteurs à réaction continuent à devenir plus puissants, plus efficaces et plus respectueux de l'environnement, garantissant ainsi que le transport aérien restera un élément essentiel de notre monde pour les générations à venir.