Types de moteurs utilisés dans les avions
La plupart des avions sont propulsés par une certaine forme de moteur à réaction à respiration aérienne. Ces systèmes de moteurs aspirent de l’air qui est comprimé, brûlé et expulsé pour produire une poussée. La poussée peut provenir d’un échappement à haute pression, ou de pales de turbine en rotation qui entraînent des composants externes.
Les conceptions de moteurs d’avion les plus courantes sont les turbines à gaz. Les moteurs à turbine à gaz aspirent de l’air qui est mélangé à du carburant et enflammé pour produire un gaz chaud en expansion. L’énergie du gaz en expansion est utilisée pour faire fonctionner une turbine – une roue d’ailettes ou de pales qui tourne autour d’un axe pour entraîner les composants du moteur comme les hélices et les ventilateurs. Il existe différents types de moteurs à turbine à gaz utilisés dans les avions modernes, tous alimentés par des pales qui tournent et de l’air qui brûle.
Turbofan :
Les moteurs turbofan sont les plus courants pour les avions de ligne commerciaux, car ils offrent une poussée substantielle et un rendement énergétique élevé. Ces moteurs sont facilement identifiables par le grand ventilateur à l’avant, utilisé pour aspirer des volumes massifs d’air.
Fun fact : Pendant le décollage, un moteur typique d’une compagnie aérienne peut aspirer plus d’une tonne d’air par seconde.
Une partie de cet air d’admission est canalisée dans le noyau du moteur pour la combustion, tandis qu’une autre est déviée autour de la chambre de combustion pour être expulsée directement par la tuyère.
Types de moteurs turbofan
Les moteurs turbofan peuvent être classés en deux variantes basées sur le ratio d’air dérivé.
- Les turbofan à taux de dérivation élevé détournent la majeure partie de l’air autour de la chambre de combustion pour l’expulser directement de la tuyère sous forme d’échappement produisant de la poussée.
- Les turbosoufflantes à faible dérivation canalisent plus d’air d’admission à travers les différents étages du moteur, produisant une plus grande poussée par combustion mais consommant aussi plus de carburant.
Turbojet:
Les turbojets sont une variante antérieure sans le grand ventilateur frontal. Ils ont été les premières turbines à gaz pour l’aviation. Les turboréacteurs aspirent l’air directement dans le compresseur, et tout l’air chaud passe par les étages de la chambre de combustion et de la turbine avant de ressortir par la tuyère de propulsion. Les turboréacteurs sont d’une conception relativement simple et compacte, mais ils n’ont pas les avantages en matière de rendement énergétique et de réduction du bruit d’une turbosoufflante à grand débit.
Fun fact : Les turboréacteurs ont propulsé le Concorde – un avion de passagers supersonique, aujourd’hui retraité, qui était capable de voler à deux fois la vitesse du son.
Turboprop :
Un turbopropulseur est essentiellement un turboréacteur avec une hélice attachée. L’air d’admission passe par un compresseur et une chambre de combustion, puis le gaz brûlé est utilisé pour entraîner une turbine rotative. L’arbre de la turbine est relié à une hélice située à l’extérieur du moteur, qui tourne pour créer une poussée qui fait avancer l’avion. La puissance de l’hélice et la puissance de la poussée de ce moteur à réaction sont équilibrées pour des performances optimales. Les turbopropulseurs fournissent une vitesse limitée, mais sont très efficaces – ce qui les rend populaires auprès des petits avions commerciaux et privés.
Fun fact : Le plus grand avion à turbopropulseur du monde, l’Antonov An-22, est propulsé par quatre paires d’hélices contrarotatives qui tournent dans des directions opposées pour équilibrer le couple.
Turbomoteur :
Les turbomoteurs sont comme les turbopropulseurs en ce sens que le flux d’air est exploité pour entraîner une turbine rotative afin de produire de la puissance. La principale différence est qu’un turbopropulseur fait directement tourner l’hélice pour produire une poussée, tandis que le turbomoteur entraîne généralement une transmission qui, à son tour, alimente l’avion. Les turbomoteurs sont plus courants dans les hélicoptères, où l’arbre de la turbine est relié à une transmission qui actionne les rotors de l’hélicoptère. Les arbres de turbines sont également couramment utilisés dans les chars, les trains et les navires.
Ramjet et Scramjet
Les ramjets sont des moteurs à combustion à air respirable, mais diffèrent des turbines à gaz car ils n’ont pas de pales rotatives ou de pièces mobiles. Les statoréacteurs fonctionnent selon les mêmes principes de compression, de combustion et d’échappement, mais ne comptent que sur le mouvement vers l’avant de l’avion pour comprimer l’air entrant. Les statoréacteurs sont inefficaces à basse vitesse, mais peuvent accélérer les avions à des niveaux supersoniques, ce qui les rend populaires pour les avions de chasse et les missiles.
Les statoréacteurs fonctionnent sur des principes similaires, mais atteignent des vitesses encore plus élevées en brûlant l’air supersonique dans le noyau du moteur. La NASA a utilisé un scramjet pour accélérer un avion sans pilote à près de 7 000 miles par heure – un record mondial à dix fois la vitesse du son.
Amélioration des composants critiques
Les moteurs d’avion sont parmi les systèmes les plus sophistiqués jamais créés. Ces merveilles modernes que sont les moteurs à réaction exploitent l’énergie de l’air pour soulever des charges massives, percer la stratosphère et dépasser la vitesse du son. En plus d’être complexes et puissants, les moteurs à réaction sont exceptionnellement fiables – livrant chaque jour des millions de passagers en toute sécurité à leur destination.
Le grenaillage laser joue un rôle essentiel dans la performance et la fiabilité des moteurs pour différents types de moteurs d’avion, permettant aux ingénieurs de repousser les limites tout en assurant une sécurité maximale. Tous les moteurs à turbine à gaz sont sensibles à la fatigue du métal ou à la fissuration sous contrainte dans les pales qui tournent rapidement. La défaillance d’une seule aube pendant le fonctionnement du moteur peut endommager ou désactiver l’ensemble du système, mettant en danger l’avion, les passagers et l’équipage. La fatigue du métal a joué un rôle mortel dans plusieurs catastrophes aériennes très médiatisées, et la défaillance d’une pale a contribué à de nombreuses situations effrayantes – comme ce vol d’AirAsia en juin 2017 qui a subi de violentes secousses après la rupture d’une pale de ventilateur au large des côtes australiennes.
Heureusement, le grenaillage au laser offre une amélioration supérieure du métal qui diminue considérablement le risque de défaillance des composants. Le grenaillage au laser inhibe les fissures de fatigue et ralentit considérablement la propagation des fissures, produisant des composants plus sûrs et plus robustes avec des durées de vie plus longues.
Voyez comment le grenaillage au laser a empêché les dommages aux pales de moteur dans les avions pour l’armée de l’air. Cela leur a permis d’économiser une somme estimée à 1 milliard de dollars lorsqu’elle est calculée sur tous les moteurs de la flotte de l’Air Force.
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