Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Propulsion aéronautique

Pendant longtemps, les avions ont été propulsés par des hélices entraînées par des moteurs à essence. Aujourd'hui encore, c'est la meilleure solution pour les petits avions de tourisme.

Lorsque, pour de plus grands avions, l'hélice est conservée compte tenu de ses très bonnes performances, elle est souvent entraînée par un turbopropulseur utilisant une turbine à gaz à cycle ouvert. Cependant, les turboréacteurs ont supplanté les moteurs à hélice pour la propulsion de nombreux avions, dont la plupart des avions de ligne longs courriers.

C'est par ailleurs le seul moteur qui convient pour les vols supersoniques, et il équipe à ce titre la plupart des avions militaires.

Aux très grandes vitesses, ainsi que pour la propulsion des missiles longue portée, le turboréacteur atteint ses limites, et c'est le statoréacteur qui est utilisé, car il permet d'obtenir de très bons rendements. Toutefois, il ne peut fonctionner de manière autonome au décollage, qui doit alors être assuré par un turboréacteur ou par un moteur-fusée.

Complément de thermodynamique

Commençons par un petit complément de thermodynamique.

Tube de courant

Nous avons jusqu'ici supposé que les variations d'énergie cinétique des fluides subissant des transformations sont négligeables. Dans les diffuseurs et les tuyères qui équipent les turboréacteurs, cette hypothèse n'est plus valable, l'effet utile étant obtenu en convertissant en énergie cinétique la pression du fluide.

Pour des écoulements permanents absolus où la pression et les trois composantes de la vitesse sont supposées constantes dans le temps, et si le fluide est dépourvu de viscosité, la loi fondamentale des écoulements adiabatiques dans un repère fixe traduit la conservation de l'enthalpie totale h + K, et s'écrit, sur une ligne de courant, C étant la vitesse du fluide :

Il est possible de convertir en énergie cinétique l'enthalpie d'un fluide, et réciproquement

Cette équation résulte simplement de la généralisation du 1er principe avec prise en compte des énergies cinétiques.

Turboréacteur

Un turboréacteur du type de ceux qui sont généralement utilisés dans l'aviation est une simple modification d'une turbine à gaz à cycle ouvert: la turbine est dimensionnée pour seulement entraîner le turbocompresseur (figure ci-dessous).

Schéma d'un turboréacteur

En sortie de turbine, l'énergie excédentaire disponible dans les gaz à hautes pression et température est convertie en énergie cinétique dans une tuyère.

La poussée résulte de la différence de quantité de mouvement entre l'air aspiré et les gaz rejetés. Rappelons que la quantité de mouvement est le produit du débit-masse par la vitesse.

Par définition, la poussée est égale à :

F = m (C1 - C5)

C1 étant la vitesse de l'avion, et C5 celle des gaz à la sortie de la tuyère.

Le turboréacteur comporte de plus un diffuseur d'entrée, qui sert à créer une précompression d'origine statique en entrée du compresseur (Figure ci-dessous).

Schéma d'un turboréacteur

Un turboréacteur se présente donc comme la combinaison d'un diffuseur, de ce qu'on appelle un générateur de gaz et d'une tuyère.

On parle de générateur de gaz car la fonction de l'ensemble « compresseur, chambre de combustion et turbine » est de générer des gaz chauds et à pression supérieure à la pression ambiante, afin que ces gaz puissent ensuite être convertis en énergie cinétique dans la tuyère.

Il est tout à fait possible de modéliser avec une bonne précision divers cycles de turboréacteurs avec Thermoptim.

Toutefois, les composants du noyau de Thermoptim ne suffisent pas pour réaliser de tels modèles : pour représenter le diffuseur d'entrée et la tuyère de sortie, il est nécessaire de faire appel à deux classes externes, c'est-à-dire à deux extensions du progiciel.

Une exploration dirigée permet d'étudier un cycle simple en détail (C-M2-V4).

Turboréacteur à double flux

Un turboréacteur à double flux a un meilleur rendement que celui que nous venons d'étudier et qui est appelé turboréacteur à simple flux.

Il obtient ce résultat en accélérant à une vitesse à peine supérieure à celle de l'avion un débit d'air (appelé flux secondaire) complémentaire de celui qui traverse le générateur de gaz. Cette opération est rendue possible grâce à un compresseur additionnel à basse pression, appelé soufflante, entraîné lui aussi par la turbine (figure ci-dessous).

Turboréacteur à double flux

On appelle rapport de dilution le rapport du débit secondaire au débit primaire. Il peut atteindre 10 pour certains turboréacteurs. La propulsion est alors assurée par un grand débit d'air à faible vitesse et un petit débit des gaz de combustion issus du cycle primaire classique.

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