- Efficacité d'un turboréacteur
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Cet article traite de l'efficacité d'un turboréacteur en aéronautique.
Sommaire
Rendement et source de pertes
Problématique d'étanchéitié
Explicitation de la problématique
Un compresseur axial est constitué par des aubes tournantes et des aubes fixes. Plusieurs étages de compression sont mis en série. Un étage correspond à une roue tournante et une roue fixe. Les roues tournantes mettent en mouvement et aspirent l’air qui se comprime sous cet effet. Les aubes fixes ont pour rôle d’empêcher la rotation du flux dans la conduite , car cela réduirait l’efficacité de la compression. On constate que la section de passage diminue à chaque étage ce qui est le signe que l’air occupe progressivement moins d’espace. Pour la turbine, le fonctionnement est similaire à ceci près que c’est l’air sous pression qui met en mouvement la turbine et non l’inverse.
À chaque étage de compresseur, la pression étant plus forte qu’à l’étage précédent, on a donc la situation paradoxale d’avoir un gradient de pression parallèle au flux d’air. L’air a donc tendance, par endroits, à revenir à l'étage d’avant, ce qui se traduit par des fuites (leakages), parfois simplement appelés flux secondaires (secondary flows). Dans la turbine, le gradient de pression est opposé à l’écoulement mais un retour d’air vers le compresseur est possible.
Les fuites diminuent donc le rendement des compresseurs et des turbines (diminution du débit à travers le réacteur et perte de travail mécanique utile). Par voie de conséquence, cela a un impact direct sur l’efficacité du réacteur, sa consommation de carburant et la poussée produite.
Les fuites présentes dans le compresseur et la turbine peuvent entraîner, dans certaines conditions de fonctionnement, un autre phénomène, très dangereux, appelé pompage compresseur (compressor surge), consistant à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air. Sans étanchéité appropriée, le champ d'écoulement peut être renversé et cela se traduit par un non démarrage du moteur, une perte d’efficacité totale (perte de poussée) et de possibles flammes à l'admission. Cela s’accompagne d’un bang ou de plusieurs si le phénomène se répète. Les pièces des premières sections sont alors fortement endommagées. Ce phénomène est pris en compte dans la conception et des joints d’étanchéité efficaces permettent d’avoir une grande marge au pompage. Mais il arrive que ce phénomène réapparaisse lorsque des joints sont trop usés, conduisant à des accidents ou des quasi-accidents.
Localisation des fuites
On trouve ces fuites à différents endroits. On y retrouve donc des joints d’étanchéité, en l’occurrence :
- entre les aubes fixes et le corps mobile (inner air seal) ;
- entre les aubes mobiles et le stator (outer air seal) ;
- au niveau des paliers et roulements.
Solutions
Afin d’augmenter les rendements des turboréacteurs, les constructeurs doivent minimiser ces fuites de gaz qui existent entre les parties fixes et les parties tournantes de la turbomachine. Une réduction même très faible de la perte de fluide dans la partie étanche conduit à des gains important pour les clients (les compagnies aériennes) si on considère la longue durée de fonctionnement des moteurs (plusieurs milliers d'heures, au nombre de moteurs sur l'avion et au nombre d'avions vendus). Les ingénieurs ont recours à des joints d’étanchéité « sans contact ». Plusieurs technologies de joints existent, en fonction des caractéristiques du lieu où se trouvent ces fuites.
Dans le cas du jeu entre l’extrémité de l’aube tournante et le stator par exemple, la solution la plus efficace trouvée par les motoristes, est de rapprocher au maximum l’aube du carter et d’installer un revêtement tendre dans un logement sur le carter, au droit des pales, le protégeant ainsi des frottements et/ou des impacts éventuels avec ces éléments tournants. Ce revêtement est réalisé en matériau dit abradable, ce qui signifie qu’il a pour propriété d’être facilement creusé par l’extrémité de l’aube en cas de contact. Celle-ci n’est pratiquement pas endommagée et continue à remplir sa fonction.
De nos jours, les joints d'étanchéité à revêtement abradable sont fortement utilisés dans les turboréacteurs d’avions, mais aussi dans les turbines et compresseurs d’autres domaines industriels (surtout dans le secteur de la production d’énergie), tant l’intérêt de ces revêtements est grand.
Voir aussi
Articles connexes
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