Turbopropulseurs VS Turbofans. Comment fonctionnent les moteurs d'avions?

Le secteur de l'aviation ne cesse de se développer, et de nos jours on compte plusieurs types d'avions aux caractéristiques différentes, parmi lesquelles le type de moteur utilisé. Plusieurs industries font la concurrence dans ce domaine dont Rolls Royce, Pratt & Whitney, Snecma, etc.

En plus de cette diversité, les moteurs eux-mêmes ne fonctionnent pas de la même manière et n'ont pas les mêmes missions. Nombreux sont les types de moteurs que l'on peut retrouver sur les avions. On les appelle en anglais Gas Turbine Engines et on distingue actuellement les turboprop (hélice), les turbojets, les turbofans et les turboshafts (on les retrouve beaucoup sur les hélicoptères).
Les noms sont plus frappants et parlants en anglais, c'est d'ailleurs la langue de travail en aéronautique. Pour les avions à réaction, nous allons nous intéresser aux turbo-fan, le modèle le plus rencontré de nos jours sur les avions de ligne. Pour le type turbo-prop, ce sont les hélices (propellers) qui produisent la majorité de la force de poussée, alors que pour le type fan (qui veut dire appareil pour faire du vent),elle est en grande partie assurée par le air bypass. On y reviendra dans la suite

differents types de moteurs turbo

Fonctionnement global des moteurs et force de poussée

Les turbo propulseurs en général produisent moins de poussée que les turbofan et les turbojets. Le moteur accélère faiblement les gaz mais, a la possibilité d'absorber une grande quantité ou masse d'air à l'entrée, alors que les moteurs à réaction prennent une petite quantité d'air qu'ils accélèrent fortement. Tout cela c'est pour que la force et l'énergie des gaz reste dans tous les cas très grande. Rappelez vous de la deuxième loi de Newton: la force est égale au produit de la masse et de l'accélération.

Penchons nous plus pour l'instant sur le moteur turboprop.

Il peut être divisé en 2 grandes parties: les hélices à l'extérieur et à l'avant du moteur, et le coeur appelé engine-core, qui a une structure assez semblable à celle que l'on trouve dans les
avions à réaction. De façon globale, à l'entrée d'air, on a un compresseur dont le rôle est d'augmenter la pression de l'air. Après le compresseur, l'air arrive dans la chambre de combustion, où il est mélangé avec le kérosène. Le mélange brûle à très haute température et produit une grande énergie. Juste après la
chambre de combustion, il y'a les turbines qui tournent, entraînées par ces gaz chauds. La turbine et le compresseur sont fixés au même rotor, donc en tournant, cela fait en retour tourner les pâles du compresseur. A la sortie de la turbine, dans le cas des moteurs à hélice, on n'a pas une tuyère pour accélérer les gaz
vers l'arrière. Par contre, il y'a une turbine additionnelle appelée Drive-turbine. Les gaz chauds qui sortent n'ont pas encore perdu toute leur énergie, et ils
entraînent cette turbine qui elle est fixée au rotor des hélices. Son rôle est d'extraire au maximum l'énergie qui reste de ces gaz et de faire tourner en retour les pâles des hélices. Ce sont les hélices qui en tournant, produisent la quasi-totalité de la force de poussée (environ 80%) et en même temps, font entrer de l'air dans
les moteurs pour un autre cycle. Mais la drive-turbine tourne beaucoup trop vite, en tout cas à une vitesse qui endommagerait les hélices (cela causerait ce qu'on appelle blade stall). Pour cela, elle n'est pas directement reliée au rotor des hélices, mais plutôt à un engrenage qui échange les vitesses et le torque. Cet engrenage est appelé reduction gear box. Finalement, le rotor des hélices va tourner avec une faible vitesse mais avec un plus grand torque que le rotor de la drive-turbine. Une partie de l'énergie des gaz à la sortie de la chambre de combustion ne sera pas captée par la turbine, et cette portion est accélérée vers l'arrière et poussel'avion vers l'avant. Cette production de poussée, qui couvre environ 20% de la poussée totale s'effectue par le principe simple de la troisième loi de Newton: Action-Reaction.
Notez que tout comme dans le cas des hélicoptères, l'angle d'attaque des pâles des hélices du moteur peut varier pour plusieurs manœuvres comme l'inversion de
poussée par exemple.

schema d'un moteur turboprop

Zone, altitude et vitesse d'opérations

Dans le cas des turboprop, vu que la quasi-totalité de la poussée est garantie par les hélices, ce type d'avion est plus efficace en basse altitude où l'air est plus dense. Plus on monte en altitude, plus l'air se raréfie. Et rappellez-vous, ces moteurs ont besoin de beaucoup d'air car il y a peu d'accélération des gaz dans le Engine-core. Un de leurs grands avantages est qu'ils n'ont pas besoin d'une très longue piste pour décoller et peuvent atterrir sur de très courtes distances en
comparaison aux avions à réaction.(on en a un peu discuté dans l'article sur les avions à hélice ATR-600 de la compagnie Liz Aviation International. C'est d'ailleurs l'une des raisons pour lesquelles ils sont aussi très utilisés sur les cargos militaires comme le A 400M par exemple.

avion militaire airbus de type turboprop

Consommation de carburant
Le décollage et l'atterrissage sont très énergivores, et ces phases ne durent pas pour les avions à hélice.
Du coup, ils consomment déjà beaucoup moins de carburant.
Cela réduit le coût des opérations pour les compagnies aériennes et donc plus d'économies.


Capacité d'accueils de passagers et influence du type de moteur sur le design de l'avion

Les moteurs à hélice sont généralement montés sur de petits ou moyens avions, qui ne volent pas sur de longues distances. Ce sont généralement des avions locaux régionaux, assez pratiques. Du coup, ils n'ont pas une aussi très grande capacité d'accueil, (généralement entre 70 et 100). Ils sont vraiment faits pour les vols courts, basse altitude et moins grande vitesse. Il vaut mieux éviter les avions turbofan engines dans ce genre d'opérations. Généralement les avions de ligne à hélice ont des ailes à emplanture haute avec un dièdre légèrement négatif et une flèche légèrement remarquable (parfois même pas). (voir l'article sur les types d'ailes d'avions pour mieux comprendre ces termes) Les moteurs sont généralement placés sous les ailes et un peu éloignés du fuselage. Par contre les avions à réaction offrent plus de liberté quant à l'emplacement des moteurs. Même si de nos jours la plupart des moteurs sont montés en bas des ailes, on peut trouver des avions où ils sont placés à l'arrière et plus rapprochés du fuselage ou parfois même au niveau de la dérive comme le cas du Boeing727.

boeing 727 de la compagnie américaine Panam Air

Revenons un peu aux avions à réaction. Les turbofans sont plus orientés vers le transport de grande masse (comme le A380 qui peut prendre jusqu'à 800 passagers). Ils consomment relativement plus de carburant. Ils ont généralement besoin d'une plus longue piste pour décoller comme le B737 qui a besoin de 2400m au décollage. Ils sont plus efficaces dans les vols moyens et long courrier. Ce sont des avions continentaux, transcontinentaux, transocéaniques. Ils volent à plus haute altitude (croisière à 35000 pieds) et sont beaucoup plus rapides. Cela est dû à un moteur qui fonctionne carrément de façon différente. Dans le cas des turbojet, la quasi-totalité de la poussée est assurée par les gaz qui s'échappent à l'arrière au niveau de la tuyère, à grande vitesse et juste un peu par le bypass. Mais de nos jours, ce sont les turbofan qui sont plus utilisés. On les reconnait facilement sur les avions par ces larges fans et cette spirale blanche dont l'un des buts est d'avertir le personnel au sol que le moteur est en train de tourner. Ces moteurs sont plus performants, font moins de bruit, et ont un grand Bypass-ratio. Ici la majorité de la poussée est assurée par l'air du bypass.

exemple des fans d'un moteur

Quand l'air entre dans le moteur, une très petite portion passe par le compresseur pour suivre une évolution similaire à celle décrite dans le cas du Engine-core
des turboprop (plus haut). La différence ici est que le compresseur est plus amélioré avec plus de pâles, de même que la turbine qui est parfois divisée en deux parties qui tournent à des vitesses différentes en fonction de la pression et de l'énergie des gaz dans le moteur. La majorité des molécules d'air qui entre par les fans passe vers une zone qui enveloppe la chambre de combustion et accélérée à très haute vitesse. Le bypass ratio est défini par le rapport entre le nombre de molécules d'air qui entrent dans la turbine et celles qui sont accélérées directement. Les avions de ligne à réaction qui fonctionnaient en turbojet avaient un low-bypass ratio (moins de 50:100) Actuellement, le bypass ratio des avions de ligne est très très grand et tourne autour de 10:1. Cela veut dire que 10kg d'air passent par le tuyau du bypass contre seulement un 1kg qui entre dans le cœur. C'est pourquoi on les appelle high-bypass ratio engines. C'est ce bypass qui produit environ 80% de la poussée totale des moteurs.

animation pour un moteur turbofan. Remarquez le bypass élevé: peu de molécules passent dans le cœur

Comprenez que chaque type d'avion a son domaine d'opérations, ses forces et ses faiblesses. Tous les types d'avions que vous voyez ont d'ailleurs été développés pour des raisons précises. Il ne sert à rien de vouloir les comparer pour savoir lequel est meilleur. Quand une compagnie veut augmenter sa flotte ou faire ses débuts, elle analyse le type d'opérations qu'elle veut effectuer, le nombre de passagers, les aéroports ou la zone d'activités. Il ne sert à rien d'acheter un ATR-600 par exemple pour faire du Paris New-York, tout comme il est inutile d'acheter un B777 pour opérer rien qu'en Afrique Occidentale. Chacun a son terrain de jeu qu'il faut respecter.

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