Compresseur axial

Animation d'un compresseur axial. Les stators sont de couleur sombre.

Le compresseur axial est un compresseur dont l'écoulement suit l'arbre en rotation, ce qui diffère du compresseur centrifuge. Le fluide en sortie a un mouvement radial. Le compresseur axial génère un flux continu d'air comprimé et fournit un rendement élevé pour une masse volumique donnée et une section donnée du compresseur. Il est nécessaire d'avoir plusieurs étages de pales pour obtenir des pressions élevées afin d'obtenir des taux de compression équivalent avec un compresseur centrifuge.

Description

Compresseur du GE J79

Un étage de compresseur

Un compresseur axial est composé d'éléments en rotation et d'éléments statiques.
L'arbre central, guidé par des roulements, est composé d'anneaux composés eux-mêmes d'aubes rotoriques et statoriques.
L'ensemble est un montage alternant des rotors et des stators.
On appelle un étage, un disque de rotor suivi d'un disque de stator.
L'étage rotorique accélère l'écoulement du fluide grâce à l'énergie transmise par l'arbre de transmission.
L'étage statorique transforme l'énergie cinétique en pression via une détente due à la forme du stator.
La section entre le rotor et le carter du compresseur diminue pour maintenir un flux dans le sens axial du moteur (visible sur la photo du GE J79).

Diagramme des vitesses

• U : vitesse de rotation du rotor
• Ua1 : vitesse axiale de l'air à l'entrée du rotor (sortie aube d'entrée ou précédent stator)
• Ua2 : vitesse axiale de l'air à la sortie du rotor
• W1 : vitesse relative d'entrée de l'air dans le rotor (référentiel du rotor)
• W2 : vitesse relative de l'air dans le stator (référentiel du rotor)
• U2 : vitesse absolue en sortie du rotor
• U1 : vitesse absolue en sortie du stator

Conception

L'augmentation du taux de compression pour un seul étage est limitée par la vitesse relative entre le rotor et le fluide, et la géométrie des aubes. L'étage d'un compresseur d'un moteur civil donne des valeurs entre 1,15 et 1,6, en condition optimale d'utilisation. Pour augmenter ces valeurs, on augmente le nombre d'étages du compresseur axial, et la vitesse de rotation.

Un taux de compression par étage plus élevé est possible si la vitesse relative entre le fluide et les rotors est supersonique. Cependant, ceci est réalisé aux dépens de l'efficacité et de l'utilisation. De tels compresseurs, avec des rapports de pression de 2 par étage, ne sont utilisés que pour minimiser la taille du compresseur, le poids ou la complexité. C'est pourquoi ces technologies sont réservées aux avions militaires.

Aube d'un rotor.

Le profil des aubes est optimisé pour respecter le domaine d'utilisation de l'étage du compresseur.

Bien que des compresseurs puissent fonctionner sous des régimes différents d'écoulement (vitesse de rotation, taux de compression, ...), cela a pour conséquence de pénaliser son rendement, voire même de provoquer un arrêt de fonctionnement.

L'arrêt de fonctionnement est provoqué par le décrochage aérodynamique du fluide sur le rotor et provoque l'apparition d'un bouchon aérodynamique appelé pompage. Le pompage est un phénomène dangereux pour le compresseur car il peut provoquer la rupture d'aubes. Les turboréacteurs modernes utilisent une série de compresseurs, tournant à des vitesses différentes (montage simple ou double corps) pour obtenir un taux de compression de 40 pour alimenter la chambre de combustion.

Développement

Les compresseurs axiaux au départ offraient des rendements faibles, et de nombreux articles disaient qu'il serait impossible de voyager avec un avion équipé d'un réacteur. Cela changea lorsque Alan Arnold Griffith publia l'article Théorie aérodynamique pour la conception d'une turbine (An Aerodynamic Theory of Turbine Design) en 1926, notant que le mauvais rendement des compresseurs venait de la géométrie plate des aubes, qui provoquait un décrochage aérodynamique (pompage).

Il prouva qu'avec l'utilisation d'aubes profilées, le rendement augmentait, au point de constater que le voyage par avion équipé d'un réacteur devenait possible. Il conclut son article avec un diagramme d'un moteur équipé d'une deuxième turbine qui était connectée à une hélice.

Moteur à flux axial

• 

  Compresseur Axial

• 

  Chambre de combustion

• 

  Turbine

Le fonctionnement du compresseur des moteurs à réaction rencontre différentes conditions d'utilisation :

• Au sol
  • Démarrage : vitesse de l'air entrant nulle, variation rapide du régime de rotation du moteur.
  • Roulage : vitesse de l'air entrant nulle ou peu élevée, régime de rotation lente.
  • Au décollage : vitesse d'entrée augmentant, régime de rotation augmentant la vitesse d'entrée compresseur est nulle et varie avec l'avancement de l'avion et le compresseur subit de grandes variations de régimes de vitesse liés avec la puissance demandée.
• En vol, le régime du compresseur

Corps

Tous les compresseurs ont un taux de compression lié à la vitesse de rotation et au nombre d'étages. Les premiers moteurs ont été conçus simplement. Il a donc été utilisé un grand compresseur (plusieurs étages) simple corps tournant à la même vitesse. L'évolution des moteurs a été l'apport d'une deuxième turbine et la division du compresseur en basse pression et haute pression, ce dernier tournant plus rapidement. Cette conception dite double corps amène une nette amélioration du rendement.

Références

• Portail de l’aéronautique