Terminalf

Le turboréacteur à double flux
Français,Anglais

Hiroko Mukai-Martin

Maîtrise LEA - 2000 / 2001 - Paris III
Responsable : Loïc Depecker

Je voudrais remercier tout particulièrement Monsieur Michel Prin, expert mécanicien au sol à AIR FRANCE, ainsi que Monsieur Jean-Louis Martin, pilote de ligne retraité d'AIR FRANCE, qui ont pris le temps de m'accorder de nombreuses entrevues, pour leurs réponses à toutes mes questions avec grande gentillesse, et pour la nombreuse documentation qu'ils ont bien voulu mettre à ma disposition.

J'adresserai également mes très vifs remerciements à Madame Francine de Jacobet, secrétaire de rédaction à l' Ecole nationale supérieure des beaux-arts, pour son assistance à la correction de ce mémoire.

Enfin je voudrais remercier très profondément mon professeur Monsieur Loïc Depecker qui m'a guidé dans l'étude de mon mémoire toute au long de cette année, pour sa grande gentillesse à répondre à toutes mes questions, et situer le cadre de mon ouvrage, se rendant très souvent disponible, même au prix de débordement après les cours.
Je lui suis enfin particulièrement reconnaissante de nous avoir transmis sa passion et ses connaissances dans le domaine de la terminologie, discipline qu'il m'a été donné de découvrir et d'apprécier grâce à lui.

Depuis Icare, les hommes ont toujours rêvé de pouvoir s'envoler dans les airs et vaincre la gravité terrestre, mais toutes les tentatives se sont soldées jusqu'au début du XXe siècle par autant d'échecs et de déceptions, voire de tragiques accidents. Grâce aux progrès scientifiques, notamment dans le domaine de la physique, mais aussi du courage et de la détermination de certains. A noter la performance des frères Montgolfier, inventeurs d'un ballon à air chaud, plus léger que l'air qui étonnèrent la cour du roi Louis XVI à Versailles, en faisant voler le 19 septembre1783 une Montgolfière avec les trois premiers aéronautes: une mouton, un coq et un canard, précédent de peu un vol humain réalisé le 21 novembre de la même année par François Pilâtre de Rozier. Au cours de la même année, le physicien Charles accompagné de Robert, fabriquant de toile caoutchoutée, effectuèrent un vol de deux heures à bord d'un ballon gonflé à l'hydrogène à partir du jardin des Tuileries. Puis vinrent les aérostats et les ballons dirigeables. Pour ce qui concerne les plus lourds que l'air, l'honneur de la première « envolée » revient à Clément Ader en 1890, avec récidives en 1892 et 1897. Aux Etats-Unis, les frères Wright réalisèrent le premier vol sur avion doté de gouvernes et d'un moteur à explosion de 12 cv le 17 décembre 1903. Le premier avion à réaction à prendre l'air est le He 178 de Heinkel le 27 août 1939. Aujourd'hui, l'homme vole au delà de la vitesse du son et se lance résolument à la conquête de l'espace. L'aviation représente de nos jours un moyen de transport fiable et efficace.

REPRESENTATION DU DOMAINE

HISTOIRE DU TURBOREACTEUR

En 1928, au Royal Air Force Collège de Cronwell, un élève officier nommé Frank Whittle a rédigé sa thèse sur le thème Les développements probables de l'aviation future. Dans ce document, il soulignait qu'il était possible de mettre au point des moteurs entièrement nouveaux afin de propulser les avions par réaction. En 1930, il prenait à ses frais un brevet, et faisait tourner au banc d'essai son premier turboréacteur le 12 avril 1937. L'Etat britannique et Rolls-Royce ont décidé de le soutenir, et devenaient par conséquent les précurseurs des recherches dans ce domaine. Cependant un jeune ingénieur allemand, Hans Joachim Pabst von Ohain inventait le premier turboréacteur allemand avec l'appui du constructeur d'avions Ernst Heinkel. Son premier réacteur le HeS 1, comparable à celui de l'anglais Whittle, avait tourné au banc en septembre 1937. Le 27 août 1939, une version améliorée, le HeS 3B permettait le décollage du premier avion à turboréacteur du monde : le Heinkel He-178 expérimental. Ces turboréacteurs simple flux ont ensuite été supplantés par les double flux, dont le premier à tourner à titre expérimental fut le Rateau SRA-1 français en 1946. Grâce à de nombreuses améliorations et inventions, notamment celle du compresseur axial, Rolls-Royce fut le premier motoriste à produire des réacteurs de ce genre en série, à la fin des années 50, le compresseur BP (basse pression) fut élargi, et l'excès d'air qu'il débitait fut dérivé vers l'extérieur sans passer à travers le compresseur HP (haute pression), la chambre de combustion et la tuyère. Pour lutter contre cette concurrence, Pratt & Whitney remplaça les trois premiers étages du compresseur BP de son turboréacteur JT-3C par une soufflante de grand diamètre, obtenue en allongeant fortement les aubes des deux premiers étages rotors du compresseur. La turbine fut modifiée en conséquence pour entraîner la soufflante et le compresseur BP ainsi raccourci.
L'aspect de ce moteur était nouveau : à l'avant, un capot plus large que d'ordinaire canalisait vers l'extérieur une partie de l'air brassé par la soufflante. Au centre de ce large anneau, sous un carénage plus étroit mais plus long, était abrité le reste du turboréacteur. Ce moteur à double flux fut désigné JT-3D et considéré comme un progrès sensible pour les avions subsoniques.
A partir de 1960, le turboréacteur à double flux est apparu comme le meilleur moteur pour l'aviation de transport au-dessus de 550 km/h.
Ce qui distingue ces moteurs entre eux est le « taux de dilution », c'est-à-dire le rapport de la quantité d'air brassé par la soufflante ( flux primaire ) sur la quantité d'air qui traverse le compresseur, la chambre de combustion et la tuyère (flux secondaire ). Le taux de dilution du premier double flux, le « Conway », était de 0,3, trop faible pour que ce moteur présentât beaucoup d'améliorations par rapport aux monoflux. Sur le JT-3D, le taux était de 1 : le flux primaire était égal au flux secondaire. Avec les double flux des années 80, la taux de dilution se situe entre 4 et 6,6 pour le CFM 56-5C de la SNECMA et de General Electric .

LE CYCLE DE FONCTIONNEMENT D'UN TURBOREACTEUR

Une turbomachine est composée de plusieurs éléments principaux. De l'avant vers l'arrière, ce sont : le compresseur, la chambre de combustion, la ou les turbines et enfin la tuyère. Lorsque l'air traverse ces diverses éléments, sa pression, sa température et sa vitesse varient . Ces variations produisent les forces dont la résultante est la force de propulsion de l'avion.

LES COMPRESSEURS

L'air extérieur est d'abord aspiré dans le compresseur, qui peut être de deux sortes, centrifuge ou axial.
Les compresseurs axiaux, que l'air traverse en ligne à peu près droite, sont faits d'une successions de roues à aubes. Celles-ci se présentent comme des tambours dont la périphérie est plantée d'une multitude d'aubes parfois guère plus grandes qu'un ticket de métro. Ces roues tournent à grande vitesse et sont appelées rotors. Entre ces rotors sur l'axe du réacteur sont attachées des couronnes d'aubes fixes appelées stators, elles ont pour but de redresser l'écoulement d'air dévié par son passage dans les rotors. Chaque couple rotor et stator du compresseur constitue un « étage de compression ».
Il existe plusieurs sortes de compresseurs axiaux : le compresseur à simple corps où le compresseur ne forme qu'un bloc ; le compresseur à double corps où le compresseur est partagé en deux groupe : groupe basse pression à l'avant et haute pression en arrière du précédent. Il existe enfin des compresseurs à triple corps sur certains réacteurs à double flux. La multiplication des corps de compresseur est destinée à apporter plus de souplesse au fonctionnement des turboréacteurs.
La compression de l'air augmente sa température et les compresseurs doivent supporter des écarts de température élevés. L'air extérieur qui entre dans le réacteur de 12 000 m d'altitude est à environ -50°C, lorsqu'il sort du compresseur, sa température est environ 300 à 500°C. Les aubes de compresseur sont donc fabriquées dans des alliages spéciaux en fonderie ou par matriçage avec un soin qui surprend, car la moindre petite impureté dans le métal peut provoquer une rupture sous les colossaux efforts subis lors de la rotation. La demi-douzaine d'opérations de matriçage nécessaires pour transformer une barre de titane en aube ne dure que quelques minutes. Pourtant, il faut six mois pour fabriquer une par une la quarantaine d'aubes en titane d'une soufflante de réacteur à double flux, à cause des longues opérations de contrôle et de traitement de surface du métal.

LA CHAMBRE DE COMBUSTION

Placée en aval du compresseur, la chambre de combustion peut avoir plusieurs aspects : tubulaire lorsqu'elle est constituée d'un ensemble de tubes disposés en couronne au milieu du réacteur, ou annulaire. Les chambres de combustion sont généralement annulaires. Elles entourent les moteurs comme un anneau creux, entre le compresseur et la turbine, les arbres de liaison passant en son centre. La chambre annulaire est, en principe, plus efficace qu'une chambre tubulaire ; elle est en tout cas plus légère et plus simple.
Le carburant utilisé dans les turbomachines est le kérosène, un produit pétrolier moins raffiné que le gasoil. Il est amené à la chambre de combustion par des pompes sous forte pression, puis vaporisé par les brûleurs.
Chaque brûleur est conçu avec un très grand soin pour diffuser le carburant en gouttes aussi fines que possible. Plus les gouttes sont petites, plus la combustion est bonne, plus la consommation est réduite et plus la longueur de la chambre de combustion est petite. Si les gouttelettes sont trop grosses, il faut une fraction de seconde supplémentaire pour les consumer. Cela signifie qu'il faut allonger la chambre de quelques centimètres, donc allonger les arbres de la turbine, donc augmenter la masse du moteur avec peut-être d'autres inconvénients. Les gouttelettes qui ne sont pas brûlées peuvent encore endommager les aubes de la turbine en aval de la chambre de combustion. Les chambres de combustion d'aujourd'hui ne mesurent que quelques décimètres de long et quelques centimètres de haut. Néanmoins, cela suffit à chauffer jusqu'à 2000°C l'air qui sort du compresseur.
Pour améliorer la combustion, le flux d'air comprimé qui se déverse dans la chambre de combustion est également ralenti au moyen de chicanes, bien que sa vitesse reste encore de l'ordre de quelques dizaines de mètres par seconde. Ces chicanes ont aussi pour rôle de brasser le gaz brûlant pour homogénéiser sa température et éviter les points chauds qui endommageraient les aubes de la turbine.
En quittant la chambre de combustion, les gaz chauds sont accélérés en passant dans l'étranglement ou convergent du diffuseur qui débouche sur un rang de stators, puis sur la turbine.

LA TURBINE

La turbine impose les limites de puissance de la turbomachine. Elle entraîne le compresseur et peut être constituée par un ensemble de plusieurs turbines, notamment dans le cas des réacteurs multicorps : turbine haute pression ou HP et turbine basse pression ou BP. La première est la plus proche du diffuseur de la chambre de combustion. Chacune peut comporter plusieurs étages.
Les aubes des turbines sont exposées d'une part à la température extrême des gaz chauds, et d'autre part à une force centrifuge de plusieurs tonnes dues à la rotation. Cette accélération tend à arracher les aubes du disque sur lequel elles sont implantées, elles supportent des efforts de trois tonnes et plus par centimètre carré. Ces efforts, qui s'ajoutent aux forces provoquant la rotation et aux vibrations, soumettent la turbine à d'énormes contraintes.
Des matériaux spéciaux doivent être sans cesse inventés pour construire des aubes capables de résister à des conditions de fonctionnement de plus en plus rudes. Au début, la plupart était en alliage à forte proportion de nickel, avec le gros avantage de bien résister au fluage, le lent allongement du métal étant provoqué par d'importants efforts en tension et température. Beaucoup de métaux plus courants, chauffés à blanc de la même manière, résisteraient quelques minutes ou quelque heures tout au plus. Les allemands essayèrent les céramiques, qui résistent très bien à la chaleur, mais n'ont pas de résistance mécanique. Le titane est utilisé de plus en plus, pur ou en alliage, depuis que les difficulté de son usinage ont été résolues. Les progrès les plus nets sont obtenus en améliorant les traitement des métaux .
Les aubes de turbines sont le siège de phénomènes aérodynamiques très complexes et très importants puisque leur rendement, sur les compresseurs comme sur les turbines, dépend en fait de leur comportement aérodynamique. Or comme elles sont très petites, la moindre altération de leur forme a des conséquences catastrophiques, c'est pourquoi elles sont fabriquées par moulage à la cire perdue avec une précision de l'ordre de 1/100 de mm, malgré la dureté des matériaux qui les composent.
Dans les années 50, Rolls-Royce étudia le refroidissement des aubes par liquide, mais en 1945, les allemands avaient commencé à refroidir les turbines de leurs turboréacteurs avec de l'air circulant à l'intérieur d'aubes creuses fabriquées en tôle fine. Ce dernier procédé a été finalement adopté par l'ensemble des fabricants de réacteurs.
Les aubes des stators, comme celles des rotors, sont moulées par éléments de cinq à dix. Leur extrémité supérieure porte fréquemment une sorte de chapeau, ou cloison jointive avec celle des aubes voisines, de sorte que la turbine paraisse entourée d'un anneau plat. Ce dernier a pour fonction d'empêcher les gaz chauds de s'échapper par l'extrémité supérieure des aubes. Il renforce en conséquence la turbine tout en augmentant son efficacité. Il a toutefois l'inconvénient de peser une certaine masse qui sous effet de la force centrifuge se transforme en contrainte mécanique supplémentaire.
Le compresseur et la turbine sont reliés par un arbre de transmission toujours creux, dont le diamètre peut atteindre celui du disque de l'étage le plus aval du compresseur. Dans le cas des réacteurs à double corps, les arbres qui relient turbine et compresseur basse et haute pression sont concentriques. L'air frais utilisé pour refroidir la ou les turbines, peut être acheminé par l'intérieur du ou des arbres.

TUYERE

La tuyère succède à la turbine. Les gaz provenant de la chambre de combustion s'y refroidissent et s'y détendent considérablement en accélérant : leur pression et leur température sont transformées en énergie cinétique.
Cette transformation d'énergie produit la poussée utile. Il est donc important qu'elle soit aussi complète que possible. Elle serait parfaites dans un réacteur idéal d'où les gaz seraient éjectés à la température de l'air ambiant, toute leur chaleur ayant été transformée en vitesse dans la tuyère.
La vitesse d'éjection des gaz est proportionnelle à la différence entre leur pression dans le moteur et la pression atmosphérique. Cet écart est d'autant plus grand que l'altitude est élevée, à condition que la pression à l'intérieur du moteur-qui dépend de la température du flux-puisse être maintenue en altitude.
La tuyère la plus simple n'est autre qu'un tuyau d'un diamètre approprié, appelé aussi veine de sortie. Autrefois, de petites variations des dimensions de l'ouverture permettaient d'accorder la tuyère avec le fonctionnement du moteur. En fait, la réduction de l'ouverture de la tuyère provoque un accroissement de la vitesse d'éjection des gaz et donc de la poussée, mais jusqu'à une valeur limite au delà de laquelle la température s'élève à l'intérieur du moteur. Les turboréacteurs allemands des années 40et 50 possédaient à cet effet des carénages mobiles en forme de cône à l'intérieur de la tuyère ; les réacteurs modernes n'ont plus de tuyères à section variable, sauf s'ils sont pourvus de la réchauffe.

CHOIX DU DOMAINE

En tant que peintre amateur, j'ai voulu tout d'abord traiter le domaine relatif aux techniques de la peinture. Or, ce sujet ayant déjà été abordé l'année dernière par un étudiant, je me suis alors tournée vers une étude sur les pigments. Celle-ci s'étant avérée trop complexe du point de vue des définitions purement chimiques, je me suis donc orientée vers un tout autre horizon : celui de l'aviation auquel je suis particulièrement attachée étant donné mon expérience professionnelle en tant que personnel navigant commercial.
J'ai accordé ma préférence au domaine des réacteurs au détriment de celui de l'aménagement des cabines de passagers, qui m'était pourtant plus familier. Souhaitant en effet devenir interprète ou traductrice, il m'est apparu plus utile d'élargir mes connaissances dans ce domaine. De mon point de vue, les réacteurs représentent l'élément le plus important dans la détermination des performances d'un avion et dans son évolution. Etant donné l'ampleur du domaine des réacteurs je me suis limitée à l'étude du turboréacteur qui est le plus utilisé dans l'aviation civile de nos jours.

LA DEMARCHE SUIVIE

La première étape était uniquement réservée à la collecte de documents ou de livres spécialisés dans l'aéronautique. Je me suis également procurer des manuels sur les systèmes mécaniques et électroniques auprès de professionnels, qui cependant ce sont révélés très et parfois trop détaillés, entraînant ainsi une certaine confusion quant à l'importance relative des différents éléments. J'ai donc ensuite consulté une encyclopédie dans laquelle j'ai relevé les termes de base qui par la suite m'ont permis de faire le choix des termes traités.

La deuxième étape consistait à trouver les définitions des termes, elle s'est révélé être la plus difficile et la plus longue de mon mémoire, mais également la plus passionnante et la plus riche en enseignement.
Il existe un dictionnaire de l'aéronautique et de l'espace, français/anglais élaboré par Monsieur Henry Goursau qui indique les équivalents des termes aéronautiques français en anglais sans pour autant en fournir les définitions. Renseignement pris auprès de la « maison du dictionnaire », il s'est avéré qu'aucun dictionnaire aéronautique avec définitions n'était actuellement commercialisé, pas plus d'ailleurs qu'à la librairie spécialisée dans l'aviation sise au 75, boulevard Malesherbes à Paris. Les définitions présentées dans le corpus de mon mémoire ont par conséquent été élaborés au terme de longues heures de recherches, à partir de livres et documents traitant de l'aéronautique.

La troisième étape était d'entrer en contacte avec les spécialistes. Trois entrevues mensuelles d'environ une heure et demie, ont été nécessaires pour assurer la correction, la confirmation ou apporter les compléments indispensables à la bonne compréhension des définitions présentées.
Ces entrevues ont en outre eu pour objet de noter les phrases permettant de situer le terme traité dans son contexte.

LE CIBLAGE DU MEMOIRE

Mon propos dans ce mémoire est de donner aux débutants tant à l'élève pilotes ou mécanicien, ainsi qu'au traducteur non averti et de manière plus générale au profane, un support simple et pratique lui permettant d'appréhender plus aisément une modeste partie du monde fascinant mais toujours un peu abstrait de l'aviation.

LES LIMITES ET LE DECOUPAGE DU DOMAINE TRAITE

Ce mémoire se limite volontairement à l'aviation civile, car j'estime très humblement que ce domaine prendra une place de plus en plus prépondérante dans le contexte de la libre circulation des personnes et des biens, ainsi que dans le cadre de l'assistance humanitaire et du rapprochement des peuples. Le turboréacteur représentant avec le turbopropulseur la grande majorité des moyens de propulsion utilisés dans l'aviation civile, j'ai tout naturellement limité mes recherches au turboréacteur à double flux pour ses qualités de rendement énergétique et de distance franchissable par rapport à sa consommation de carburant.

LES QUESTION RENCONTREES

Les professionnels de toutes spécialités utilisent très fréquemment les termes anglais choisis par les constructeurs dans la rédaction de leurs documentations, dans un but évident de précision et pour éviter autant que possible toute confusion. Ceci conduit à l'utilisation d'un jargon professionnel compris par tout les gens de la profession, mais qui reste très hermétique au profane.
Il faut savoir que les navigants techniques (pilotes et mécaniciens) sont généralement affectés à la conduite d'un seul type d'avion, alors que le personnel de maintenance au sol peuvent éventuellement avoir pour charge l'entretien d'une ou plusieurs types de machines, d'où l'importance d'utiliser le jargon spécifique au type de machine considéré.

J'ai classé le sous domaine: partie du réacteur selon un plan topographique, c'est à dire de l'avant vers l'arrière du réacteur: « compresseur », « chambre de combustion », « turbine », « tuyère ». Cependant certains termes ne trouvant pas leur place dans ce classement sont classés dans « autres » du sous domaine.

NOTES

Dans le corpus, le réacteur désigne en général le turboréacteur à double flux