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ATPL FCL 021 Motorisation / Moteurs à turbines

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1 ATPL FCL 021 Motorisation / Moteurs à turbines
TECHNOLOGIE DES MOTEURS A TURBINES ENTREE D’AIR

2 ENTREE D’AIR ROLES FORMES DES ENTREES D’AIR
Théorème d’Hugoniot Forme d’une entrée d’air en domaine de vol subsonique Forme d’une entrée d’air en domaine de vol supersonique FONCTIONNEMENT D’UNE ENTREE D’AIR DE TYPE PITOT Généralités Détermination des dimensions d’une entrée d’air Raccordement aérodynamique de forme externe divergente Raccordement aérodynamique de forme externe convergente …/…

3 ENTREE D’AIR ENTREES D’AIR POUR LE VOL SUPERSONIQUE
Généralités Comparaison choc droit et choc oblique Fonctionnement d’une entrée d’air à chocs multiples Différents types d’entrée d’air PROBLEMES POSES PAR LES ENTREES D’AIR Décollements des filets d’air Ingestion de corps étrangers

4 ROLES Fournir un débit d’air régulier, en accord avec la demande du compresseur, quelle que soit la phase de vol. Amener l’air extérieur à l’entrée du compresseur avec le moins de turbulences possibles. Ralentir les filets d’air pour aborder l’entrée du compresseur Transformer une partie de l’énergie cinétique de l’écoulement en pression statique, dans le cas des vols à vitesse élevée, et ceci avec peu de pertes de charge. C’est l’ "effet de manche ". Réduire le niveau sonore du turboréacteur, imputable au fan, au compresseur dans son ensemble et à l’écoulement dans l’entrée d’air. Engendrer la traînée aérodynamique la plus faible possible pour l’avion.

5 FORMES DES ENTREES D’AIR
Théorème d’Hugoniot Le théorème d’Hugoniot établit un lien entre les variations de vitesse et de section en tenant compte de la valeur du nombre de Mach de l’écoulement : Selon la valeur du nombre de Mach, supérieur à 1, inférieur à 1 ou égal à 1, on voit qu’il existe trois interprétations possibles.

6 section et vitesse varient en sens inverse
Première formulation du théorème d’Hugoniot : En subsonique (M < 1), section et vitesse varient en sens inverse

7 section et vitesse varient en sens inverse
Première formulation du théorème d’Hugoniot : En subsonique (M < 1), section et vitesse varient en sens inverse

8 Deuxième formulation du théorème d’Hugoniot :
En supersonique (M > 1), section et vitesse varient dans le même sens

9 Deuxième formulation du théorème d’Hugoniot :
En supersonique (M > 1), section et vitesse varient dans le même sens

10 Troisième formulation du théorème d’Hugoniot :
Dans le cas où M = 1, la vitesse ne peut être égale à célérité du son qu’en une section minimale du tube de courant

11 Troisième formulation du théorème d’Hugoniot :
Dans le cas où M = 1, la vitesse ne peut être égale à célérité du son qu’en une section minimale du tube de courant

12 Forme des entrées d’air pour le domaine de vol subsonique
Mach avion en croisière = 0,8 Mach maxi en entrée compresseur = 0,5 Conclusion, l’entrée d’air doit assurer un ralentissement. Ceci s’obtient par augmentation de la section traversée. L’entrée d’air est de forme DIVERGENTE = EA de type PITOT

13 Forme des entrées d’air pour le domaine de vol subsonique
Mach avion en croisière = 0,8 Mach maxi en entrée compresseur = 0,5 Conclusion, l’entrée d’air doit assurer un ralentissement. Ceci s’obtient par augmentation de la section traversée. L’entrée d’air est de forme DIVERGENTE = EA de type PITOT

14 Forme des entrées d’air pour le domaine de vol supersonique
Mach avion en croisière = 2,02 Mach maxi en entrée compresseur = 0,5 Le ralentissement s’obtient par diminution de la section traversée, tant que le nombre de Mach est supérieur à 1, puis par augmentation de celle-ci, lorsque le nombre de Mach devient inférieur à 1. L’entrée d’air est de forme CONVERGENTE / DIVERGENTE, mais le convergent doit disparaître en vol subsonique. De ce fait, la GEOMETRIE EST VARIABLE.

15 Forme des entrées d’air pour le domaine de vol supersonique
Mach avion en croisière = 2,02 Mach maxi en entrée compresseur = 0,5 Le ralentissement s’obtient par diminution de la section traversée, tant que le nombre de Mach est supérieur à 1, puis par augmentation de celle-ci, lorsque le nombre de Mach devient inférieur à 1. L’entrée d’air est de forme CONVERGENTE / DIVERGENTE, mais le convergent doit disparaître en vol subsonique. De ce fait, la GEOMETRIE EST VARIABLE.

16 FONCTIONNEMENT D’UNE ENTREE D’AIR DE TYPE PITOT
Généralités L’entrée d’air amène les filets d’air extérieurs à l’entrée compresseur, ce qui se note : qma = qma1 r . S. V = r1 . S1 . V1 En vol subsonique, la masse volumique peut être considérée comme constante. Dans ce cas, l’équation de continuité se résume à : S. V = S1 . V1 V = vitesse à l’infini amont = vitesse avion / air (TAS) S1 = section d’entrée compresseur V1 = vitesse en entrée compresseur S = section de la veine d’air captée à l’infini amont

17 S = S1 . (V1 / V) De quoi dépend V1 ?
La vitesse de l’air en entrée compresseur ne dépend que du régime de rotation du compresseur. Le compresseur fixe ce dont il a besoin. Exemple, le point fixe. La section de la veine d’air à l’infini devient le paramètre d’adaptation. Sa valeur sera liée aux conditions d’utilisation de l’ensemble avion / moteur. S = S1 . (V1 / V) Pour construire une entrée d’air, il faut d’abord déterminer ses dimensions : - sa section d’entrée (S0), - sa section de sortie (S1) et - sa longueur.

18 Détermination des dimensions d’une entrée d’air
Un avion de transport doit être rentable en croisière (phase de vol la plus longue). C’est pour cette raison que l’entrée d’air est calculée avec les paramètres de fonctionnement croisière : Régime de rotation du moteur = V1 fixée Vitesse de vol en croisière = V fixée Moteur de marque et modèle choisi = S1 fixée Pour être logique, le principe retenu est le suivant : l’entrée d’air, en croisière, doit à elle seule, assurer le ralentissement de la masse d’air de V à V1. Ceci implique que V0 soit exactement égale à V d’où : S0 = S1 . (V1 / V0) = S1 . (V1 / V)

19 Le tube de courant en amont de l’entrée d’air est de forme cylindrique :

20 Raccordement aérodynamique externe de forme divergente
Supposons qu’à partir du cas précédent, on génère un écart entre V et V0, tel que V > V0. Deux situations réelles sont possibles : Augmenter V en conservant V0 constante : cela revient à mettre l’avion en descente en conservant le même régime de rotation du moteur (V1 = constante). Diminuer V0 en conservant V constante : cette fois il faut diminuer le régime de rotation du moteur tout en conservant une vitesse avion constante. qma = qma0 S. V = S0 . V0 S = S0 . (V0 / V) Comme V > V0, alors S < S0, on observe alors un raccordement aérodynamique externe de forme divergente.

21 Quand le ralentissement dans l’entrée d’air est insuffisant, celui-ci commence en amont :

22 Comment se forme le divergent externe ?

23 Comment se forme le divergent externe ?

24 Comment se forme le divergent externe ?

25 Comment se forme le divergent externe ?

26 Raccordement aérodynamique externe de forme convergente
Toujours à partir du fonctionnement en croisière, on génère cette fois un écart entre V et V0, tel que V < V0. On peut envisager, là encore, deux situations réelles : Diminuer V en conservant V0 constante : cela revient à mettre l’avion en montée en conservant le même régime de rotation du moteur (V1 = constante). Augmenter V0 en conservant V constante : cette fois il faut augmenter le régime de rotation du moteur tout en conservant une vitesse avion constante. qma = qma0 S. V = S0 . V0 S = S0 . (V0 / V ) Comme V < V0, alors S > S0, on observe alors un raccordement aérodynamique externe de forme convergente.

27 Le débit d’air est acquis par une augmentation de la section du tube de courant en amont :

28 De tels raccordements sont à l’origine de plusieurs problèmes :
Les raccordements aérodynamiques externes convergents se rencontrent lors du décollage et de la montée, mais surtout lors des points fixes (essais moteur au sol, freins serrés ou au banc d’essai). De tels raccordements sont à l’origine de plusieurs problèmes : Décollement des filets d’air dans l’entrée d’air Lorsque le convergent externe est très prononcé, un décollement apparaît dans l’entrée d’air, lequel diminue la section efficace de passage. Le débit d’air en entrée compresseur diminue, ce qui amènent différentes conséquences, dont la plus facile à mesurer reste la perte de poussée (environ 10% au maximum). Sur les turboréacteurs simple flux ou double flux à faible taux de dilution, le fonctionnement thermodynamique interne du moteur sera lui aussi sérieusement perturbé.

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30 Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air :
Entrées d’air additionnelles Celles-ci sont en fait des portes réparties à la périphérie de l’entrée d’air. Elles s’ouvrent automatiquement grâce à la dépression causée par le décollement des filets d’air à l’intérieur de l’entrée d’air. Sinon, un ressort les maintient en position fermée.

31 Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air :
Entrées d’air additionnelles Celles-ci sont en fait des portes réparties à la périphérie de l’entrée d’air. Elles s’ouvrent automatiquement grâce à la dépression causée par le décollement des filets d’air à l’intérieur de l’entrée d’air. Sinon, un ressort les maintient en position fermée.

32 Convergent externe faible = EA additionnelles fermées
Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air : Entrées d’air additionnelles Convergent externe faible = EA additionnelles fermées

33 Convergent externe moyen = EA additionnelles légèrement ouvertes
Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air : Entrées d’air additionnelles Convergent externe moyen = EA additionnelles légèrement ouvertes

34 Convergent externe important = EA additionnelles ouvertes
Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air : Entrées d’air additionnelles Convergent externe important = EA additionnelles ouvertes

35 Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air :
Mise en poussée progressive Sur les turboréacteurs double flux à fort taux de dilution, le décollement des filets d’air dans l’entrée d’air n’affecte que le flux froid. Le fonctionnement thermodynamique du moteur n’est donc pas perturbé. Les entrées d’air additionnelles ne sont pas indispensables, d’autant plus qu’elles engendrent un sifflement désagréable lorsqu’elles sont ouvertes. Une mise en poussée progressive, en fonction de la prise de vitesse de l’avion au roulage, limite le diamètre du convergent externe et ainsi les effets du décollement.

36 Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air :
Entrée d’air pavillon Au banc d’essai, la «vitesse de l’avion» sera toujours nulle. Le convergent externe sera, de ce fait, très prononcé. L’idéal, dans ce cas, est d’utiliser une entrée d’air adaptée à la situation, c’est à dire de forme convergente.

37 Remèdes vis à vis du décollement dans l’entrée d’air :
Entrée d’air pavillon Au banc d’essai, la «vitesse de l’avion» sera toujours nulle. Le convergent externe sera, de ce fait, très prononcé. L’idéal, dans ce cas, est d’utiliser une entrée d’air adaptée à la situation, c’est à dire de forme convergente (type PAVILLON).

38 Autre problème dû au raccordement externe convergent :
Dépression dans le convergent externe Dans le tube de courant de forme convergente, l’écoulement qui le traverse accélère et voit sa pression statique chuter. Une zone d’aspiration, plus ou moins étendue selon le régime de rotation du moteur, apparaît en amont de l’entrée d’air. Cette zone d’aspiration représente un réel danger pour l’environnement aéroportuaire, le moteur et surtout le personnel. Cela implique de veiller à : - l’état de surface de l’aire de point fixe et à sa solidité ; - la propreté des aires de parking ; - définir un périmètre de sécurité pour le personnel ; - l’ingestion de FOD (Foreign Object Damage).

39 Définition des zones critiques et marquages associés :
Zones critiques lors de la mise en route des moteurs et du ralenti sol

40 Définition des zones critiques et marquages associés :
Zones critiques lors de la mise en mouvement de l’avion (départ)

41 Définition des zones critiques et marquages associés :
Marquages de la limite d’aspiration sur un turboréacteur

42 C’est l’ANTIGIVRAGE ENTREE D’AIR.
Autre problème dû au raccordement externe convergent : Refroidissement de la masse d’air dans le convergent externe Dans le tube de courant de forme convergente, l’écoulement qui le traverse accélère, se détend et se refroidit. Selon le degré d’humidité de la masse d’air, un givrage des lèvres de l’entrée d’air est possible. Ce dépôt de givre constitue un danger, en cas de séparation, pour les ailettes du compresseur. Cela implique d’empêcher toutes formes de givrage sur les lèvres de l’entrée d’air, au sol comme en vol. C’est l’ANTIGIVRAGE ENTREE D’AIR. L’antigivrage peut s’envisager : électriquement, par résistances chauffantes ; pneumatiquement, par circulation d’air chaud.

43 L’antigivrage électrique de l’entrée d’air est communément retenu pour les turbopropulseurs, puisque les pales des hélices sont déjà dégivrées électriquement. Des bandes de résistances électriques sont insérées dans des couches de néoprène ou de fibres imprégnées de résine époxy, au niveau des lèvres de l’entrée d’air.

44 L’antigivrage pneumatique est obtenu par circulation d’air chaud prélevé sur le compresseur. La vanne d’alimentation de ce circuit est commandée par l’intermédiaire d’un interrupteur situé dans le poste de pilotage.

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46 FONCTIONNEMENT D’UNE ENTREE D’AIR DE TYPE PITOT

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48 ENTREES D’AIR POUR LE VOL SUPERSONIQUE

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50 PROBLEMES POSES PAR LES ENTREES D’AIR

51

52 RECUEIL DE QCM SUR L’ENTRÉE D’AIR


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