Sommaire - Cours, examens
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22/01/2018
Bruno LODATO
3T - 2017-2018 1
Cours de Turbomachines - 2017 Copyright DEVAUX Catherine(IPSA-Paris)
Sommaire
1&2 – Introduction aux turbomachines
3 – Thermodynamique appliquée aux turbomachines
4 – Calcul des cycles d’adaptation
5 – Calcul des cycles d’adaptation (suite)
6 – Intégration des contraintes avionneurs
2
122/01/2018
1&2-Introduction aux turbomachines
Historique
Principe de fonctionnement des turboréacteurs
Le système turboréacteur
Analyse du rôle des composants
Quelques exemples
Quelques chiffres
Conclusion
3
1-Introduction - Historique
Les turbomachines
Cycle Cycle
continu discontinu
Système ouvert Système fermé
4
222/01/2018
1-Introduction - Historique
Les turbines
A eau
A vapeur
5
1-Introduction - Historique
Les turbomachines aéronautiques
1922 1er concept français
1935 Franck Whittle (GB)
Gloster E28/39 Démonstrateur
Gloster Meteor 6
322/01/2018
1-Introduction - Historique
Les turbomachines aéronautiques
Allemagne
Jumo 004
Messerschmitt Me262 7
1-Introduction - Historique
Les turbomachines aéronautiques
Année 1956/57
Leduc 022
Nord-Aviation Griffon 02
8
422/01/2018
1-Introduction - Historique
Architectures Moteur et Applications
9
1-Introduction – Principe de fonctionnement des turboréacteurs
Principe de fonctionnement des
turboréacteurs
10
522/01/2018
1-Introduction – Principe de fonctionnement des turboréacteurs
11
1-Introduction – Le système turboréacteur
3
1 2
12
622/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
La compression
Vitesse
Pression
13
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
Evolution des taux de compression
maximum au décollage
FETT, First Engine To Test 14
722/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
Compresseur axial
Un compresseur axial est composé d'éléments
en rotation et d'éléments statiques1:
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 la forme du
stator ;
La section entre le rotor et le carter du
compresseur diminue pour maintenir un
flux de fluide constant au fur et à mesure
de la compression, et conserver le flux dans
le sens axial du moteur.
15
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
Compresseur axial
General Electric J85-GE-17A
Différentes technologies de liaison
Vrillage de l’aube entre le disque (roue) 16
822/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
Triangle des vitesses
(compresseur)
C1 = W1 + U1
C vitesse absolue de l’écoulement C2 = W2 + U2
W vitesse relative de l’écoulement 1 étage : Rotor + Stator
U vitesse périphérique du rotor C3= W3 + U3
Cu, Cm, Cx, composante tangentielle, radiale et axiale de la vitesse absolue du fluide
17
Wu, Wm, Wx, composante tangentielle, radiale et axiale de la vitesse relative du fluide
Champs compresseur
Sillage et couches limites du
distributeur et de la roue.
18
922/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
La combustion
Chambre de
combustion
inversée
Température
Iso-Pression
19
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
La combustion
Chambre
annulaire Chambre séparée ou tubulaire
20
1022/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
La détente
Température
Pression
21
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
Evolution de la Température Entrée
Turbine (TET)
22
1122/01/2018
1-Introduction – Analyse du rôle des composants
La régulation
Permet d’éviter :
Les survitesses de l’arbre,
Les surchauffes (chambre
de combustion, turbines),
Les baisses imprévues de
poussée,
Les zones de
fonctionnement
dangereuses,
Les extinctions moteur …
23
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Principale architectures de
turboréacteurs
24
1222/01/2018
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Mono corps – Mono flux
Caractéristiques :
Architecture très simple
Niveau de poussée élevé
Consommation de carburant élevée
Ex.
ATAR09K50 (SNECMA)
J85-GE-17A (GE)
Avon RA29 (RR)
ATAR 09K50 (SNECMA) 25
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Mono corps – Double flux
Caractéristiques :
Architecture très simple
Consommation de carburant
modérée
Ex.
M53-P2 (SNECMA) – Mirage2000
M53-P2 (SNECMA) 26
1322/01/2018
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Double corps – Mono flux
Caractéristiques :
Architecture plus complexe
Compacité plus élevée
Réactivité améliorée
Consommation de carburant élevée
Ex.
OLYMPUS (RR)
BRISTOL OLYMPUS Mk 101 (RR) 27
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Double corps – Double flux
Caractéristiques :
Architecture plus complexe
Faible consommation de carburant
Faible niveau sonore (moteur civil)
Ex.
M88-2 (SNECMA) - Rafale
LARZAC 04 (TM/SNECMA/MTU) –
Alpha Jet
CFM56-5C (GE/SNECMA) - Airbus
GP7200 (GE) 28
1422/01/2018
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Triple corps – Double flux
Caractéristiques :
Architecture très complexe
Faible consommation de carburant
Très grande souplesse d’utilisation
Ex.
RB211 (RR) – Boeing 747 RB211 (RR)
Trent 700 (RR) – Airbus 330 –Beluga
Trent 1700 (RR) – Airbus 350
Trent 900 (RR) – Airbus 380
Trent 900 (RR) – A380 29
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Turbine libre, Mono corps, Mono flux
Caractéristiques :
Architecture très simple
Consommation de carburant élevée
Ex.
RTM322 (TM) – NH90
PW 100/150 (PW) - ATR 42 et 72
TP400 – A400M
30
1522/01/2018
1-Introduction – Quelques exemples de turbomachines
Turbine liée, Double corps, Mono flux
Caractéristiques :
Architecture plus simple
Plus grande souplesse d’utilisation
Ex.
TYNE – C160 Transall
31
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution de la - 50 à 60°C en sortie du compresseur BP d’un moteur civil,
- 200 à 300°C en sortie du compresseur BP d’un moteur militaire,
température - 600 à 800°C en sortie du compresseur HP,
- jusqu’à 1600-1700°C (1850-2000 K) en sortie de la CC,
- jusqu’à 2000°C (2300 K) au sein de la CC,
- jusqu’à 900°C (1200 K) en sortie de la turbine BP,
Augmentation : - jusqu’à 1800-1900°C (2100-2200 K) en sortie de postcombustion
Dans le compresseur et
Essentiellement dans la chambre de
combustion
Ex. moteur ATAR 32
1622/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution de la - 1,5 à 1,6 bars en sortie de soufflante,
pression - 3 à 5 bars en sortie du compresseur BP des moteurs militaires,
- 30 à 50 bars en sortie du compresseur HP
- 3 à 5 bars dans le canal et la tuyère d’éjection des moteurs militaires,
- 1,5 à 1,8 bars dans le canal et la tuyère d’éjection des moteurs civils.
Variation :
Dans le(s) compresseur(s)
Et dans la(les) turbine(s)
+ pertes de charges (1 à 10%)
Ex. moteur ATAR 33
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution de la vitesse
La vitesse d’écoulement s'accroît en amont du compresseur (présence du cône moteur),
puis diminue légèrement dans le compresseur .
La vitesse s'accroît fortement en sortie de la chambre de combustion et décroît fortement dans la turbine.
La tuyère permet d'accroître à nouveau la vitesse.
La poussée sera donc d'autant plus élevée que la différence de quantité de mouvement entre l'entrée et la sortie
du moteur sera importante.
Ex. moteur ATAR 34
1722/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution de la vitesse tangentielle
35
1-Introduction – Quelques chiffres
Ordre de grandeur des vitesses de rotation
A régime maximum, les vitesses de rotation caractéristiques sont les suivantes :
- 4000 à 5000 tr/mn pour une soufflante de moteur civil,
- 11000 à 13500 tr/mn pour un compresseur BP de moteur militaire,
-17000 à 18000 tr/mn pour un compresseur HP.
Les régimes minimum correspondent quant à eux au "ralenti sol" et "ralenti vol",
valeurs en dessous desquelles le moteur risque de s’éteindre.
36
1822/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution du débit
- K ≈ 150 pour les moteurs militaires,
- K ≈ 140 pour les moteurs civils.
A titre indicatif, un moteur civil aspire environ 400 m3 d’air par seconde, ce qui est équivalent
au volume d’une maison.
37
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution de la poussée
- 4 à 6 pour les moteurs sans postcombustion,
F / (m.g) - 8 à 10 pour les moteurs avec postcombustion.
“ Versatile Affordable
Advanced Turbine Engines”
- US Army
- CFM56-5C4 m=2500 kg pour un rapport poussée sur poids de 6,1 sans postcombustion.
-M88-2 m=900 kg pour un rapport poussée sur poids de 8,5 avec postcombustion. 38
1922/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Evolution des technologies
ANAM : ANneau Aubagé Monobloc
BLISK : blade + disk
2015-2020, on vise des rapports F/(m.g) de l’ordre de :
- 10 pour les moteurs civils
- 20 avec post-combustion pour les moteurs militaires
39
1-Introduction – Quelques chiffres
Résistance mécanique
Moteur civil :
- une aube de soufflante doit résister à l’impact de plusieurs oiseaux (jusqu’à 8) de 2 kg et d’une dizaine de grêlons de
50 mm de diamètre,
- le pied d’une aube de soufflante est soumis à un effort de traction de l’ordre de 50 à 60 tonnes (effort centrifuge),
- le carter fan, d’une masse de 250 kg, résiste à l’impact d’une aube de soufflante lancée avec une impulsion initiale de 5
0 à 60 tonnes,
- le carter intermédiaire d’une masse de 200 kg encaisse des efforts supérieurs à 100 tonnes. 40
2022/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Fiabilité
41
Développement d’un nouveau moteur
42
2122/01/2018
1-Introduction – Quelques chiffres
Investissements liés au
développement
43
1-Introduction – Conclusion
Tendances futures
Cdc
Moteur - Silencieux
- Polluant
+ Performant
+ Robuste
+ Entretien facile
+ Fiable
- Couteux
+ Garanties
44
2222/01/2018
Présentation GEnx
GEnx (General Electric Next-generation) - Turboréacteur double-corps – double-flux 45
Présentation Moteurs
LEAP (SNECMA)
Turboréacteur
double-corps
Leading Edge Aviation Propulsion
TP400 (SNECMA) – Turbopropulseur triple-corps
46
2322/01/2018
Fin des chapitres 1&2
47
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