Articles de vulgarisation scientifique sur les principes de fonctionnement des moteurs d'aviation

Les moteurs d'avion sont au cœur de la conquête du ciel par l'humanité, et leur développement peut être décrit comme une véritable épopée technologique. Du « Flyer » des frères Wright, qui réalisa le premier vol motorisé en 1903 grâce à un moteur à pistons, aux systèmes de propulsion hybrides électriques qui ont révolutionné le paysage aéronautique au XXIe siècle, chaque avancée technologique dans le domaine des moteurs a profondément réécrit l'histoire de l'aviation.

Le premier moteur d'aviation de l'histoire de l'humanité

Moteur radial

Schéma de principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement :
Course d'admission : Le piston descend et une dépression se forme à l'intérieur du cylindre. La soupape d'admission s'ouvre et le mélange air-carburant (ou air pur dans les moteurs diesel) pénètre dans les cylindres.
Course de compression : Le piston remonte pour comprimer le mélange (ou l'air) dans le cylindre, augmentant ainsi la température et la pression. La soupape d'admission est fermée, assurant l'étanchéité pendant la compression.
Course de combustion : À la fin de la course de compression, la bougie d'allumage s'enflamme (moteur à essence) ou l'injecteur de carburant s'enflamme spontanément (moteur diesel), et le mélange brûle violemment. Le gaz à haute température et haute pression pousse le piston vers le bas, transmettant la force au vilebrequin par l'intermédiaire de la bielle, générant ainsi une puissance de rotation.
Course d'échappement : le piston remonte et les soupapes d'échappement s'ouvrent. Après la combustion, les gaz d'échappement sont évacués vers le cylindre en préparation du cycle suivant.

Modèle:

Modèle de moteur radial à 5 ​​cylindres

Turboréacteur

Les premiers moteurs à réaction, aujourd'hui classés comme turboréacteurs, se divisent en trois composants principaux : le compresseur, la chambre de combustion et la turbine. Selon la structure du compresseur, ils peuvent être classés en deux catégories : centrifuge et axial.

Structure de base d'un turboréacteur à flux axial à rotor unique

Principe de fonctionnement :
Admission et compression d'air : L'air pénètre dans le compresseur, où des pales alternées du stator et du rotor (comme des moulinets empilés) l'aspirent et le compriment. La forme des pales crée un écoulement qui s'élargit, ralentissant et réchauffant l'air (selon le principe de Laval) pour augmenter la pression.
Combustion : L'air comprimé se mélange au kérosène dans la chambre de combustion, s'enflammant pour produire un gaz à haute température et haute pression (analogue à la course motrice d'un moteur à piston).
Turbine et propulsion : Le gaz se détend vers l'arrière à travers la turbine, la faisant tourner. L'arbre turbine-compresseur maintient la compression, fermant ainsi la boucle de puissance. L'échappement sort par la tuyère, générant la poussée.
Démarrage : Un moteur externe entraîne initialement le compresseur, mais une fois en marche, le moteur convertit en continu le kérosène en poussée.

Modèle:

Modèle de turboréacteur SKYMECH 1/3

Moteur à turboréacteur

La structure de base d'un turboréacteur à double rotor

Principe de fonctionnement :
Admission d'air et pressurisation initiale : L'air pénètre par la soufflante, divisée en conduits intérieur et extérieur. L'air du conduit intérieur est ensuite comprimé par le compresseur basse pression, tandis que l'air du conduit extérieur s'écoule directement vers l'arrière, fournissant conjointement la poussée (caractéristiques du turboréacteur).
Compression haute pression : L'air comprimé par le compresseur basse pression entre dans le compresseur haute pression et se comprime à nouveau pour augmenter la pression et la température de l'air afin de préparer la combustion.
Travail de combustion : L'air à haute pression et à haute température pénètre dans la chambre de combustion, se mélange au carburant et brûle, et produit du gaz à haute température et à haute pression.
Entraînement de la turbine : Le gaz frappe d'abord la turbine haute pression, entraînant l'arbre du rotor haute pression (avec le compresseur haute pression) à tourner, réalisant la circulation d'énergie du « compresseur haute pression - turbine haute pression » ; Ensuite, la turbine basse pression est impactée, et l'arbre du rotor basse pression (avec ventilateur et compresseur basse pression) est entraîné en rotation pour compléter le cycle énergétique « ventilateur/compression basse pression ».

Modèle:

Moteur turboréacteur TECHING

Moteur à turbomoteur

Schéma de principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement :
Admission et compression d'air : L'air pénètre dans le compresseur par l'admission, où des pales à plusieurs étages augmentent sa pression et sa température. Il se mélange ensuite au carburant dans la chambre de combustion, produisant des gaz à haute température et haute pression.
Fonctionnement de la turbine : Les gaz de combustion entraînent d'abord la turbine du générateur de gaz (alimentant le compresseur et consommant environ 50 % de l'énergie). Les gaz restants se détendent dans une turbine de puissance séparée, générant ainsi un travail mécanique.
Conversion de puissance : Les turbines multi-étages de la turbine de puissance convertissent efficacement l'énergie thermique en puissance à l'arbre, laquelle est ralentie et amplifiée en couple (jusqu'à 100:1) par un réducteur principal. Ceci entraîne les rotors et rotors de queue des hélicoptères pour les vols VTOL et le vol stationnaire.
Objectif de conception : La structure de turbine libre dissocie la production d'énergie de la compression. Une tuyère de diffusion minimise la poussée d'échappement, récupérant environ 98 % de l'énergie de combustion. Cela améliore le rendement énergétique de 20 à 30 % par rapport aux turboréacteurs et offre un rapport puissance/poids supérieur à celui des moteurs à pistons, ce qui en fait la solution idéale pour les applications à couple élevé et à faible vitesse, comme les hélicoptères, les machines industrielles et la propulsion marine.

Modèle:

Modèle de moteur turbomoteur TECHING T700

Moteur turbopropulseur

Schéma de principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement :
Processus d'admission : l'air entre par le conduit d'admission avant, qui lisse et répartit uniformément le flux d'air dans le compresseur pour une compression ultérieure.
Processus de compression : Le compresseur, entraîné par la turbine, comprime l'air entrant, augmentant sa pression, sa température et sa densité pour créer de l'air à haute énergie pour la combustion.
Processus de combustion : L'air comprimé se mélange au carburant injecté par la buse dans la chambre de combustion, s'enflammant pour produire des gaz à haute température et haute pression qui libèrent une énergie thermique importante.
Procédé de fonctionnement d'une turbine : des gaz chauds à haute pression entraînent les pales de la turbine, convertissant l'énergie du gaz en énergie mécanique. La turbine alimente à la fois le compresseur (pour un fonctionnement continu) et l'hélice via un réducteur de vitesse.
Processus d'entraînement de l'hélice : un réducteur réduit la vitesse élevée de la turbine (plus de 10 000 tr/min) à la vitesse requise de l'hélice (environ 1 000 tr/min), permettant une génération de poussée efficace.
Processus d'échappement : les gaz d'échappement résiduels se dilatent à travers la tuyère, générant une poussée arrière mineure (représentant environ 1/9 de la poussée totale).

Modèle:

Modèle de turbopropulseur SKYMECH PT6A

La technologie des moteurs d'avion a connu de multiples évolutions, avec des avancées en matière d'efficacité résultant de taux de compression accrus et d'une conversion d'énergie thermique optimisée. Actuellement, la propulsion hybride-électrique et la conception de turbines ultra-efficaces deviennent des tendances majeures, propulsant la propulsion aéronautique vers une énergie sobre en carbone et à haute densité de puissance, et favorisant continuellement l'innovation et le développement durable dans l'industrie aéronautique.