Chapitre 9
269
moteur provient de la turbine, une détente peu réversible ou incomplète n’affecte « que » la puissance
et le rendement du moteur. Dans une turbomachine
à gaz, en revanche, la turbine alimente aussi le compresseur : elle joue donc un rôle double. Tant qu’elle
ne dégage pas une puissance suffisante pour égaler
celle du compresseur, le moteur ne fonctionne pas
du tout. L’efficacité isentropique de la turbine et
du compresseur deviennent de fait des paramètres
primordiaux (nous y reviendrons en §10.2.2 avec la
notion de marge de travail) et il s’ensuit que la mise
au point de la turbomachine à gaz est une entreprise
ambitieuse.
Whittle et von Ohain vont tous deux concentrer
leurs efforts sur un moteur aéronautique ingénieux
nommé turboréacteur : ce sont les gaz d’échappement, en grande quantité et avec une forte pression
résiduelle, qui vont fournir la poussée du moteur
(§10.5.3). Le principe de fonctionnement est simplissime (le flux d’air est ininterrompu et il n’y a
qu’une pièce mobile) mais les défis sont nombreux.
Comme une aile d’avion, les pales du compresseur
ont tendance à décrocher à faible puissance et dans
les phases transitoires, provoquant des variations de
débit brutales et destructrices. Dans les chambres
de combustion, il faut empêcher la flamme de lécher les parois (ce qui provoquerait leur fonte) ou
de se prolonger, en particulier lors des allumages
ou rallumages, dans la turbine. Les contraintes de
poids nécessitent l’emploi de matériaux légers qui
compliquent la fabrication. Les deux ingénieurs
conduisent leurs travaux en plein cœur de la seconde guerre mondiale, chacun financé par des budgets militaires, et les premiers avions à réaction
volent en 1940. Les appareils de série qui suivent
sont délicats d’utilisation, peu réactifs et leur durée
de vie en service atteint à peine 20 h. Ils arriveront
trop tard et en nombre trop faible pour affecter le
cours du conflit.
À la fin de la guerre, c’est l’engouement : l’aviation
s’empare du moteur qu’elle attendait depuis trois
décennies. Pour comprendre ce qui fait du turboréacteur le Graal de l’aéronautique du xx e siècle, il
faut un peu de mécanique du vol. En vol subsonique,
un appareil correctement dessiné a un coefficient
de traînée í µí°¶ í µí±¥ ≡ í µí°¹ í µí±¥ ÷ (
1
2 í µí°´ réf. í µí¼ í µí°¶ 2
vol ) quasi-constant.
Ainsi, lorsque l’on réduit l’aire í µí°´ réf. de la surface
alaire et la masse volumique ambiante í µí¼ (en gagnant de l’altitude), on peut augmenter la vitesse
Figure 9.25 – Schéma de coupe du Heinkel He S-1, premier prototype testé par Hans von Ohain en 1937. Le
compresseur est constitué d’un étage axial et d’un étage
centrifuge ; la turbine est centripète. Il n’y a qu’une pièce
mobile et sa vitesse est uniforme.
Schéma USAF (domaine public)
de vol í µí°¶ vol en maintenant la traînée í µí°¹ í µí±¥ constante. Le
coût énergétique du déplacement de l’avion reste
alors constant – en revanche, la puissance à fournir ̇
í µí± moteur = í µí°¹ í µí±¥ í µí°¶ vol , elle, augmente proportionnellement à la vitesse. Ces caractéristiques font
des avions des machines relativement économes en
énergie, mais très gourmandes en puissance, puisqu’il leur faut maintenir la même poussée à très
haute vitesse.
Le turboréacteur a deux atouts pour répondre à ce
problème. D’une part, il est compact, léger et sans
vibration, ce qui est très désirable pour une application où la traînée (et donc la poussée à fournir)
augmente proportionnellement au poids de la machine. D’autre part l’hélice, très efficace en vol lent
mais dont les embouts de pale arrivent tôt à des vitesses supersoniques et limitent de ce fait la vitesse
des avions, est purement supprimée. Ces deux qualités rendent acceptables les faibles efficacités dues
aux compressions et détentes peu réversibles, aux
faibles taux de pression et aux vitesses exagérément
hautes atteintes par les gaz dans les tuyères.
Ainsi, le gracieux Lockheed Constellation, culmination de l’ère de l’aviation à hélice, est rendu instantanément obsolète par l’arrivée en 1949 du De Havilland Comet, prodigieux quadriréacteur de même
taille mais beaucoup plus rapide (figure 9.26). Même
s’il ne peut initialement franchir la même distance
et que sa consommation kilométrique de carburant
est plus haute, le Comet ne laisse aucune chance à
ses concurrents. Sa rapidité est une qualité évidente
pour les passagers, mais aussi pour les compagnies
dont il augmente nettement la productivité.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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moteur provient de la turbine, une détente peu réversible ou incomplète n’affecte « que » la puissance
et le rendement du moteur. Dans une turbomachine
à gaz, en revanche, la turbine alimente aussi le compresseur : elle joue donc un rôle double. Tant qu’elle
ne dégage pas une puissance suffisante pour égaler
celle du compresseur, le moteur ne fonctionne pas
du tout. L’efficacité isentropique de la turbine et
du compresseur deviennent de fait des paramètres
primordiaux (nous y reviendrons en §10.2.2 avec la
notion de marge de travail) et il s’ensuit que la mise
au point de la turbomachine à gaz est une entreprise
ambitieuse.
Whittle et von Ohain vont tous deux concentrer
leurs efforts sur un moteur aéronautique ingénieux
nommé turboréacteur : ce sont les gaz d’échappement, en grande quantité et avec une forte pression
résiduelle, qui vont fournir la poussée du moteur
(§10.5.3). Le principe de fonctionnement est simplissime (le flux d’air est ininterrompu et il n’y a
qu’une pièce mobile) mais les défis sont nombreux.
Comme une aile d’avion, les pales du compresseur
ont tendance à décrocher à faible puissance et dans
les phases transitoires, provoquant des variations de
débit brutales et destructrices. Dans les chambres
de combustion, il faut empêcher la flamme de lécher les parois (ce qui provoquerait leur fonte) ou
de se prolonger, en particulier lors des allumages
ou rallumages, dans la turbine. Les contraintes de
poids nécessitent l’emploi de matériaux légers qui
compliquent la fabrication. Les deux ingénieurs
conduisent leurs travaux en plein cœur de la seconde guerre mondiale, chacun financé par des budgets militaires, et les premiers avions à réaction
volent en 1940. Les appareils de série qui suivent
sont délicats d’utilisation, peu réactifs et leur durée
de vie en service atteint à peine 20 h. Ils arriveront
trop tard et en nombre trop faible pour affecter le
cours du conflit.
À la fin de la guerre, c’est l’engouement : l’aviation
s’empare du moteur qu’elle attendait depuis trois
décennies. Pour comprendre ce qui fait du turboréacteur le Graal de l’aéronautique du xx e siècle, il
faut un peu de mécanique du vol. En vol subsonique,
un appareil correctement dessiné a un coefficient
de traînée í µí°¶ í µí±¥ ≡ í µí°¹ í µí±¥ ÷ (
1
2 í µí°´ réf. í µí¼ í µí°¶ 2
vol ) quasi-constant.
Ainsi, lorsque l’on réduit l’aire í µí°´ réf. de la surface
alaire et la masse volumique ambiante í µí¼ (en gagnant de l’altitude), on peut augmenter la vitesse
Figure 9.25 – Schéma de coupe du Heinkel He S-1, premier prototype testé par Hans von Ohain en 1937. Le
compresseur est constitué d’un étage axial et d’un étage
centrifuge ; la turbine est centripète. Il n’y a qu’une pièce
mobile et sa vitesse est uniforme.
Schéma USAF (domaine public)
de vol í µí°¶ vol en maintenant la traînée í µí°¹ í µí±¥ constante. Le
coût énergétique du déplacement de l’avion reste
alors constant – en revanche, la puissance à fournir ̇
í µí± moteur = í µí°¹ í µí±¥ í µí°¶ vol , elle, augmente proportionnellement à la vitesse. Ces caractéristiques font
des avions des machines relativement économes en
énergie, mais très gourmandes en puissance, puisqu’il leur faut maintenir la même poussée à très
haute vitesse.
Le turboréacteur a deux atouts pour répondre à ce
problème. D’une part, il est compact, léger et sans
vibration, ce qui est très désirable pour une application où la traînée (et donc la poussée à fournir)
augmente proportionnellement au poids de la machine. D’autre part l’hélice, très efficace en vol lent
mais dont les embouts de pale arrivent tôt à des vitesses supersoniques et limitent de ce fait la vitesse
des avions, est purement supprimée. Ces deux qualités rendent acceptables les faibles efficacités dues
aux compressions et détentes peu réversibles, aux
faibles taux de pression et aux vitesses exagérément
hautes atteintes par les gaz dans les tuyères.
Ainsi, le gracieux Lockheed Constellation, culmination de l’ère de l’aviation à hélice, est rendu instantanément obsolète par l’arrivée en 1949 du De Havilland Comet, prodigieux quadriréacteur de même
taille mais beaucoup plus rapide (figure 9.26). Même
s’il ne peut initialement franchir la même distance
et que sa consommation kilométrique de carburant
est plus haute, le Comet ne laisse aucune chance à
ses concurrents. Sa rapidité est une qualité évidente
pour les passagers, mais aussi pour les compagnies
dont il augmente nettement la productivité.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen