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MOTEURS

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Julien BALLESTER Enquteur de scurit

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Le sous-groupe Moteurs

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AERONEF SYSTEMES EXPLOITATION PERFORMANCE HUMAINE - Site / Epave - Enregistreurs de bord - Oprations des vols - Structure - Performances Aronef - Mtorologie - Moteurs - Systmes embarqus - Navigation Arienne - Maintenance - Survie

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Structure de la prsentation

! Le sous-groupe moteurs ! La propulsion en aviation commerciale

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Les objectifs du sous-groupe

! Collecte dinformations factuelles relatives : aux ensembles propulsifs (moteur, hlices, rotor,)

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! Convenir des participants aux travaux du sous-groupe

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! Chef de groupe ! Un enquteur de lorganisme en charge de lenqute (dans la mesure du possible)

! Autres enquteurs de cet organisme denqute ! Si besoin

! Reprsentants Accrdits ! ou enquteurs de leur quipe

! Conseillers ! De ltat de conception, de construction (cellule, moteurs)

Les possibles participants

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! Documenter sur site ltat de chaque moteur

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Les actions sur site

! Ne rien faire sur site ! (minimiser les actions sur site pas de dmontage sur site) ! Raliser un examen visuel extrieur du moteur (nacelle,

soufflante, tuyre, carter extrieur,). ! Vrifier la libre rotation de la soufflante et de la turbine de

puissance. ! Dterminer la position des inverseurs de pousse. ! Prlever les calculateurs moteur. (FADEC, DECU,) ! Se coordonner avec le constructeur du moteur pour

organiser le prlvement du groupe propulsif pour un examen dans un laboratoire spcialis.

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Que faire dans le cas dun examen dpave ?

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! Au besoin organiser la prservation du moteur en vue dexamens complmentaires

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Prservation du moteur

! Se coordonner avec le constructeur du moteur (et les Reprsentants Accrdits) pour organiser le prlvement de lensemble propulsif pour un examen dans un laboratoire adapt.

! Il est parfois utile dattendre avant denvisager un examen moteur : Informations du site qui permettent de dire que le moteur

fonctionnait, par exemple Lecture de donnes contenues dans des enregistreurs/

calculateurs (FDR, CVR, ECU)

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! Au besoin organiser la prservation du moteur en vue dexamens complmentaires

! Au besoin raliser des examens complmentaires

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Examens complmentaires

! Que faire ? Pour voir quoi ? Essai sur banc de moteur/quipement (si moteur en bon tat)

Des tests types (raliss avant livraison du moteur) permettant de valider le bon fonctionnement du moteur

Permet de la valider le fonctionnement du moteur par rapport un attendu de rfrence Des tests spcifiques, dfinir, pour mieux rpondre aux besoins de

lenqute Difficult : quelle rfrence utiliser ?

Attention, un banc dessais des limites qui ne permettent pas toujours de reproduire des dfaillances reportes

Vol effectu en altitude, mais banc dessai au sol (Temprature / Pression)

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! Que faire ? Pour voir quoi ? Dmontage de moteur/quipement

En fonction de ltat du moteur Permet de documenter les dommages / blocages internes Observations sont limites

Analyse dtaille de pices dfaillantes (matriaux,)

Analyse de carburant

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! Que faire ? Pour voir quoi ? La dcision des examens se fait au cas par cas

La dcision doit tre prise en collaboration avec tous les participants

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La propulsion en aviation commerciale

3.16c - Moteurs

Introduction

! Comment vole un avion ?

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AIR$

Mouvement

Portance

Poids

Traine

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Introduction

! Pour crer un force permettant de faire avancer lavion, il est ncessaire dutiliser un moteur combustion interne.

Note : il nexiste pas encore davion de transport commercial moteur lectrique

! Il sagit dune machine thermique dans laquelle lnergie thermique dgage par la combustion dun hydrocarbure (fuel, gaz,) est transforme en nergie mcanique (rotation dun arbre) directement lintrieur du moteur.

! Il existe 2 types de propulsion : Propulsion par action : le moteur fournit un couple sur un arbre Propulsion par raction : le moteur fournit une pousse

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Structure de la prsentation

! Introduction ! Le moteur pistons ! Le turboracteur ! Autres turbomachines ! Les nouvelles technologies

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Le moteur pistons

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Le moteur pistons - Dfinition

! Un moteur piston transforme de lnergie calorifique libre par linflammation dun combustible en nergie mcanique (travail), grce des combustions trs rapides, do le terme injustement utilis dexplosions .

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Carburant$

Moteur$$pistons$AIR$

AIR$+$gaz$dchappement$

Energie$$mcanique$

Allumage$

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Le moteur pistons - Dfinition

! Les moteurs pistons sont constitus dun ou plusieurs cylindres permettant de confiner les combustions et den utiliser lnergie.

! Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transform en rotation par lintermdiaire dune bielle reliant le piston au vilebrequin.

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Le moteur pistons - Principe

! Le cycle de fonctionnement : 1. Admission dun mlange dair carburant

pulvr is. Ouverture de la soupape dadmission et descente du piston.

2. Compression du mlange. Fermeture de la soupape dadmission et remonte du piston.

3. Combustion et dtente. La bougie dallumage produit une tincelle. La raction chimique (combustion du mlange air/carburant) se produit. Les gaz chauds repoussent le piston, initiant le mouvement.

Cest le seul temps produisant de lnergie. 4. Echappement. Ouverture de la soupape

dchappement et remonte du piston qui chasse les gaz brls.

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Le moteur pistons - Principe

1. Admission

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2.Compression 3. Combustion/Dtente

4. Echappement

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Le turboracteur

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Le turboracteur - Dfinition

! Un turboracteur transforme de lnergie potentielle, chimique contenue dans un carburant en nergie cintique permettant de gnrer une force de raction dans le sens oppos ljection.

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VAIR$out$>$VAIR$in$

Carburant$

Moteur$$pistons$AIR$

AIR$+$gaz$dchappement$

Allumage$

Force$de$racBon$

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Le turboracteur - Dfinition

! Les turboracteurs sont utiliss sur tous les avions civils moyens et gros porteurs, car ils sont les seuls pouvoir atteindre des vitesses transsoniques (entre mach 0,8 et mach 1) de manire conomique.

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Le turboracteur Principe de fonctionnement

! Le turboracteur est compos des lments suivants : un ensemble entre dair un compresseur qui permet daugmenter la pression et la temprature

de lair aspir par le racteur avant linjection de carburant une chambre de combustion o laugmentation brutale de temprature

de lair (par injection de carburant) va avoir pour consquence une augmentation trs importante de son volume

une turbine dans laquelle une partie de lnergie des gaz brls va se transformer en nergie mcanique pour entraner le compresseur et tous les lments mcaniques rotatifs du racteur

une tuyre djection qui assure la mise en vitesse des gaz jects

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Le turboracteur Principe de fonctionnement

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1. Admission 2.Compression 3. Combustion/Dtente 4. Echappement

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Le turboracteur Ladmission

! Lensemble entre dair : Il est la charge de lavionneur Il permet lalimentation du moteur

en air dans tous le domaine de vol et quelques soient les conditions extrieures

Il peut tre muni de divers quipements (grille de protection, attnuateur de bruit, filtre, dispositif antigivrage,)

Carter en alliage lger (aluminium, composites)

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Boeing'737'/'Moteur'CFM56'

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Le turboracteur La compression

! Rle du compresseur (partie convergente) : Le mlange air / krosne ne peut senflammer que dans certaines

conditions de pression et de temprature Le compresseur a pour fonction dlever la pression (le rapport entre lentre

et la sortie du compresseur peut atteindre 50:1), ainsi que la temprature, du fluide entre lentre et la sortie par transformation de lnergie cintique : Soit par effet centrifuge (compresseur centrifuge) Soit par diminution de volume et ralentissement du fluide (compresseur axial)

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! Compresseur centrifuge Se compose dlment mobile (rouet) qui

centrifuge lair et un lment fixe (redresseur) permettant de retrouver un flux axial

Un tage daubes ralise la compression Lair atteint sa compression maximale

lextrmit de la roue Taux de compression limit par les

dimensions du moteur / roue Matriaux : Alliage de Titane, Acier

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! Compresseur axial Succession dtages dailettes avec

alternance entre stator (redresseur fixe) et rotor (roue mobile)

Plus le nombre dtages est grand, plus le taux de compression est lev

Matriaux : Titane, Aluminium, Acier inox

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! Compresseur axial : Dans chaque tage du compresseur, on a une augmentation de

pression, mais aussi de temprature. Or, pour une vitesse de rotation donne, du fait de laugmentation de

la temprature le long du compresseur, le taux de compression par tage diminue (lair moins dilat, donc moins chaud, se comprime plus facilement).

Pour conserver des taux de compression levs par tage, il faut augmenter la vitesse de rotation des tages plus chauds, do lide davoir plusieurs compresseurs tournant des vitesses diffrentes. Ce sont les turboracteurs multi-corps (double corps, triple corps)

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! Turboracteur multi-corps : Plusieurs arbres compresseur/turbine sont installs de manire

concentrique sur le moteur, permettant des rotations des vitesses diffrentes (NHP > NBP)

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! Turboracteur multi-corps : Avantages :

Moins de pompage aux bas rgimes Rendement de compression amlior aux bas rgimes Pousse au ralenti est plus faible et la consommation est diminue Dmarrage facilit car seul le corps HP est lanc Acclrations plus rapides par une inertie diminue

Inconvnients : Complexit technologique Cot initial plus lev

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! Turboracteur multi-corps : Aujourdhui, seul Rolls-Royce, avec sa srie Trent, produit des

turboracteurs triple corps

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Trent'900'

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! Le pompage arodynamique : Phnomne analogue du dcrochage sur une voilure, mais au niveau des

ailettes du compresseur (engine stall en anglais). Il se traduit par des oscillations brutales de la pression et du dbit dair

traversant le moteur. Il est souvent caus par le dcollement de lcoulement sur les ailettes du compresseur.

Ce phnomne sobtient pour des dbits faibles. La pression en sortie de compresseur peut se retrouver infrieure celle en

entre de compresseur. Une inversion du sens dcoulement peut avoir lieu. Les perturbations cycliques sur le moteur sont semblables une instabilit

dune boucle de rgulation (petites bouffes dair ressemblant une succession de petites explosions).

Consquences possibles : Rupture des ailettes sur les compresseurs axiaux Vibrations axiales de trs forte amplitude pouvant crer des dommages

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Le turboracteur La combustion

! La chambre de combustion : Partie du turboracteur qui a pour rle dlever la temprature de lair issu du

compresseur par combustion de carburant afin de fournir des gaz chauds la turbine et de participer la propulsion travers leur dtente dans la tuyre djection.

Le mcanisme de combustion est une raction exothermique qui implique que le mlange carbur soit :

ltat gazeux et dans un rapport de richesse optimal (stoechiomtrique) la temprature minimum qui permet lallumage une pression minimum le plus homogne possible dans la chambre avec un air faible vitesse

La rgulation en carburant est gr par un calculateur (FADEC) en fonction de la phase de vol, des paramtres et de la commande. Ce calculateur dispose souvent de mmoires non volatiles.

Matriaux : Alliage base Nickel avec un revtement pour la rsistance haute temprature

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! La chambre de combustion :

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Vue'de'prol'

Flux$dair$

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! Le carburant aronautique : Un carburant aronautique doit avoir les caractristiques suivantes :

un fort pouvoir calorifique par unit de masse pour favoriser lautonomie de vol une forte masse volumique pour diminuer le volume des rservoirs masse

donne une faible inflammabilit aux conditions de temprature et de pression demploi,

pour augmenter la scurit du vol un bon pouvoir lubrifiant pour garantir une bonne dure de vie des pompes et

diffrents organes traverss par le carburant un prix compatible avec lconomie du transport arien pour le civil

Aujourdhui, cest le krosne qui rpond le mieux tous ces critres.

2 C10H22 + 31 (O2 + 4 N2) 20 CO2 + 22 H2O + 124 N2

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Le turboracteur Lchappement

! La turbine : Elle a pour fonction de transformer lnergie de pression des gaz

en sortie de la chambre de combustion en nergie cintique (pousse du racteur) et en nergie mcanique afin dentrainer le compresseur

Tout comme le compresseur axial, la turbine se compose dtages daubes fixes (distributeur - stator) et dtages daubes en rotation (roue rotor)

Matriaux : Alliage base Nickel avec revtement sur les aubes des tages situs juste derrire la chambre de combustion

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! La tuyre djection : A lintrieur du turboracteur, lcoulement du flux est subsonique et si on prolonge la

sortie de la turbine par une tuyre, cela permet dacclrer la masse de gaz jusqu la section de sortie.

La tuyre assure donc ljection des gaz brls et leur retour la pression ambiante. Lacclration du flux gnre la pousse du turboracteur. La section de sortie pet avoir un design particulier pour rduire le bruit.

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A380'

Les moteurs de gnration actuelle disposent de deux flux dair : - Le flux dair primaire (ou flux chaud) - Le flux dair secondaire (ou flux froid) Cet aspect sera trait dans la suite de la prsentation.

Note :

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! Les inverseurs de pousse : Le rle dun inverseur de pousse lors de latterrissage dun

avion est de diminuer la distance de freinage en redirigeant vers lavant une partie de la pousse gnre par le turboracteur.

Linverseur obstrue la tuyre djection des gaz et dirige le flux djection du moteur vers lavant de la nacelle, gnrant de ce fait une contre-pousse qui vient sajouter au freinage des roues de lavion.

Diffrentes technologies existent.

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! Les inverseurs de pousse Inverseur obstacles : Inverseur utilis sur des turboracteurs double flux mlangs. Efficacit suprieure aux inverseurs agissant uniquement sur le

flux secondaire. Inconvnient pour les moteurs sous voilures.

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Fokker'70'

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! Les inverseurs de pousse Inverseur portes : Inverseur nagissant que sur le flux secondaire. Conception simple et modulable, et adaptable tout type de

turboracteur.

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Airbus'A320'

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! Les inverseurs de pousse Inverseur grilles : Inverseur nagissant que sur le flux secondaire.

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Boeing'747'

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Le turboracteur Le rendement propulsif ! Dans un turboracteur, lensemble compresseur / chambre de

combustion / turbine fournit des gaz comprims chauds qui librent leur nergie dans le but dassurer la propulsion de lavion.

! Il convient de librer cette nergie avec le maximum defficacit en consommant le moins de carburant possible. Cest le rendement propulsif

! Dune manire gnrale, le rendement propulsif augmente lorsque, pour un dbit de carburant donn, le dbit dair ject en sortie de tuyre augmente.

! La technique des moteurs double-flux fort taux de dilution est couramment employe en aviation commerciale : on fait travailler les gaz chauds dans un turbine avant leur jection pour

mettre en vitesse un dbit dair frais qui participe la propulsion.

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3.16c - Moteurs

Le turboracteur Le rendement propulsif

! Moteur double-flux :

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Le turboracteur Le rendement propulsif

! Moteur double-flux : Le flux primaire ou flux chaud suit le processus thermodynamique. Le flux secondaire ou flux froid ne reoit que de lnergie

mcanique.

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Taux de dilution (rapport du dbit massique secondaire au dbit massique primaire) entre 5 et 10.

80% de la pousse dun moteur double flux provient du flux froid.

Rduction importante du niveau de bruit comparativement un moteur simple flux.

Trent'XWB'

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Le turboracteur Typologie des moteurs

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Simple$corps$ MulBEcorps$

Simple$u

x$Do

uble$ux

$

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Le turboracteur Les sous-systmes

! Le boitier daccessoire (Accessory Gearbox AGB) : Un arbre dentrainement est mis en rotation par larbre du compresseur (HP)

moteur. Diffrents accessoire sont branchs afin de fournir :

Les gnrateurs lectriques de lavion, Les pompes mcaniques pour lhydraulique de lavion, Les pompes de carburant pour le moteur, Les pompes de lubrification du moteur, Le dmarreur,

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CFM56'

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Le turboracteur Les sous-systmes

! Prlvement dair : De lair est prlev sur le moteur (compresseur HP) afin dassurer les

fonctions de : Pressurisation et temprature cabine, Dgivrage pneumatique (ailes), Dmarrage moteur,

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Systme'de'prlvement'dair'sur'Airbus'A320'

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Le turbomoteur

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Le turbomoteur - Dfinition

! Le turbomoteur est similaire (en conception) un turboracteur dont lnergie est transmise un arbre.

! La pousse des gaz dchappement ne participe pas (majoritairement) la propulsion.

! Le turbomoteur doit optimiser la puissance dlivre larbre de transmission en perdant le minimum dnergie dans les gaz dchappement.

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Carburant$

Turbomoteur$AIR$

AIR$

Energie$$mcanique$

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Le turbomoteur Cas de lhlicoptre

! La quasi-totalit de lnergie produite par la combustion est rcupre par les turbines.

! La turbine libre met en rotation larbre de transmission du moteur qui est relie une bote de transmission principale. Cette dernire entraine les rotors de lhlicoptre.

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Le turbomoteur Cas de lhlicoptre

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Turbomeca Arriel (EC 130, AS350 B3, AS 365 N3, EC 155)

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Le turbomoteur APU

! Ce turbomoteur produit lnergie permettant dalimenter au sol les diffrents systmes de bord (tension lectrique, pression pneumatique et hydraulique, climatisation) quand les moteurs sont arrts afin dconomiser du carburant.

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APU'A380'APU'APIC'A320'

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Le turbomoteur Turbopropulseur

! Le turbopropulseur est un systme de propulsion dont lnergie est fournie par une turbine gaz et dont la pousse principale est obtenue par la rotation dune hlice multi-pales.

! Son utilisation est limite par la baisse de rendement de lhlice au-del de Mach 0,7 et au del de 8 000m daltitude.

! Il est particulirement adapt pour les avions de transport commerciaux sur des distances courtes.

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Le turbomoteur Turbopropulseur

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Pratt&Whitney PW100 (ATR42, ATR72, Fokker F50,)

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Le turbopropulseur Hlice ! Une hlice est une aile en rotation gnrant une force propulsant

lavion vers lavant. ! Lhlice en rotation prend lair en avant de lavion et projette vers

larrire cette masse dair avec une vitesse suprieure celle de lavion. La masse dair est acclre.

! Selon le principe de la conservation de la quantit de mouvement, une force de raction sapplique sur lhlice et la pousse vers lavant. Ainsi, une hlice peut se dformer vers lavant limpact.

! Matriaux : Mtal ou composite ! Calage du pas de lhlice :

Le pas est la distance que lhlice parcourt en faisant un tour. Petit pas (calage denviron 10 de la pale) : meilleure performance au

dcollage, en monte et pour aider ralentir lavion en approche. Grand pas (calage denviron 45 de la pale) : meilleure performance en

croisire Mise en drapeau (calage 90 de la pale) : utilis en cas de panne moteur,

la pale est dans le vent Nul (calage 0 environ de la pale) : contrer la pousse, diminuer le couple

rsistant (au sol) Reverse (calage -17 environ de la pale) : latterrissage, pour rduire la

distance de roulage

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3.16c - Moteurs 62

Les nouvelles technologies

3.16c - Moteurs

Les nouvelles technologies ! Nouveaux matriaux :

Composite : Aubes de turbine BP en composite matrice cramique (CMC) Aubes de soufflante en composites tisss 3D

! Nouvelles mthodes de fabrication: Impression 3D :

Impression sur poudre de titane par fusion par faisceau dlectrons

Chambre palier (logement des roulements de turbine) Rolls Royce Trent XWB-97

! Nouvelles technologies : Open rotor :

Moteur soufflante non-carne. La soufflante est fixe sur la turbine de puissance et en dehors de la nacelle

Avantages : Taux de dilution et diamtre plus grands. Rduction en carburant de lordre de 20%

Inconvnients : Bruit gnr important. Rupture daube non contenue.

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CFM''Leap'X'

www.bea.aero

Merci de votre attention

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Essai de certification moteur

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