Turbopropulseurs et turbofans

Bien que les turbopropulseurs et les turbofans soient des moteurs à turbine, ils ne sont pas identiques. Examinons les différences entre les turbopropulseurs et les turbofans.

Les turbopropulseurs et les turbofan sont deux types de moteurs à turbine qui fonctionnent de la même manière sur le plan thermodynamique. Mais les turbopropulseurs utilisent l’air d’échappement pour faire tourner une hélice qui génère sa poussée. Les turbosoufflantes utilisent une combinaison d’air brûlé et d’air dérivé pour produire une poussée à partir de l’air d’échappement.

Les deux types de moteurs à turbine les plus courants sont les turbopropulseurs et les turbofans. Bien qu’ils fonctionnent exactement de la même manière sur le plan thermodynamique, ils sont très différents sur le plan de la gestion des gaz d’échappement qu’ils produisent. Dans cet article, nous allons examiner ce qu’est chaque type de moteur, comment il fonctionne et en quoi ces deux moteurs à turbine diffèrent l’un de l’autre.

Qu’est-ce qu’un turbopropulseur ?

Un turbopropulseur est un type de moteur à turbine qui a été modifié pour utiliser l’échappement et le travail de l’arbre associé pour actionner une hélice, d’où le nom de turbopropulseur. Comme vous le savez peut-être déjà, la plupart des moteurs à turbine utilisent les gaz d’échappement issus du processus de combustion pour générer une poussée – l’une des quatre composantes du vol – et propulser l’avion dans l’air.

Mais dans un turbopropulseur, le processus de postcombustion fait tourner la turbine qui est ensuite reliée à une hélice par une série d’engrenages. L’air entre dans le moteur et passe par le ou les compresseurs. Les turbopropulseurs sont l’un des rares moteurs à utiliser au moins un étage de compression centrifuge ; la plupart des autres moteurs utilisent plutôt des compresseurs à flux axial plus simples.

Après avoir été comprimée et avoir pénétré dans la chambre de combustion, la réaction qui en résulte fait tourner la turbine du moteur. Couplée directement à l’hélice par l’intermédiaire d’une boîte de vitesses, cette rotation de la turbine fait tourner l’hélice qui produit la poussée nécessaire pour voler. Les gaz d’échappement qui sortent du moteur produisent une énergie négligeable et sont rejetés.

En raison de la conception du moteur et du mode de fonctionnement des hélices, ces moteurs ont tendance à perdre de leur efficacité à grande vitesse. C’est pourquoi les turbopropulseurs ne sont généralement utilisés que pour les petits avions subsoniques qui ne se déplacent pas aussi vite que les autres types d’avions.

Qu’est-ce qu’un moteur Turbofan ?

Tout comme le turbopropulseur, le turbofan est un type de moteur à turbine. Mais contrairement à un turbopropulseur, un turboréacteur à double flux n’utilise pas les gaz d’échappement du processus de combustion pour faire tourner une hélice. Au lieu de cela, ces moteurs utilisent le travail de l’arbre pour alimenter un ventilateur à l’avant du moteur qui peut amener de grandes quantités d’air qui est comprimé afin de produire une poussée. Regardons un peu plus en profondeur.

Avec un turboréacteur à double flux, l’air entre dans le moteur par la soufflante située à l’avant et passe par une série de compresseurs. C’est là que le génie de la conception du turboréacteur à double flux entre en jeu, car une partie de l’air est dirigée vers le réacteur au centre du moteur, tandis qu’une autre partie passe par d’autres compresseurs, puis directement dans la tuyère à l’arrière du moteur. Cet air qui va vers la tuyère ne doit pas subir de compression et est directement converti en poussée.

Cette conception permet d’obtenir des moteurs plus silencieux qui produisent plus de poussée tout en étant plus efficaces sur le plan énergétique. La différenciation entre les turboréacteurs provient du rapport entre la quantité d’air qui contourne la chambre de combustion et ne subit pas de combustion et la quantité d’air qui subit une combustion afin de produire une poussée. Ce rapport est connu sous le nom de taux de dilution.

Un avion avec un faible taux de dilution produit plus de poussée, car moins d’air contourne la chambre de combustion, et donc plus d’air est brûlé pour produire la poussée. C’est une bonne chose pour les avions militaires qui ont besoin de plus de puissance par livre que les autres avions. D’autre part, les turbosoufflantes à forte dérivation sont idéales pour les avions plus silencieux et plus économes en carburant, comme c’est le cas de la plupart des avions commerciaux.

Turbopropulseur Vs Turbofan : Quelles sont les différences ?

Maintenant que vous savez que les turbopropulseurs et les turboréacteurs ne sont que deux des différents types de moteurs à turbine existants, soulignons certaines des principales différences.

Génération de la poussée

Les principales différences entre les turbopropulseurs et les turboréacteurs sont la façon dont ils produisent la poussée et ce que chaque moteur fait de l’air d’échappement après la combustion. Dans un turbopropulseur, le processus de combustion est utilisé pour faire tourner la turbine, puis l’hélice située à l’avant du moteur. L’hélice génère presque toute la poussée produite par le moteur, car la quantité d’énergie d’échappement est négligeable.

Dans le cas d’un turboréacteur à double flux, en revanche, l’air entre dans le moteur par un ventilateur situé à l’entrée du moteur. Une partie de l’air entre dans la chambre de combustion suivie de la tuyère et produit ainsi la poussée, tandis que le reste de l’air contourne la combustion et est évacué directement pour générer la poussée. Un turboréacteur à double flux utilise donc les gaz d’échappement – de l’air brûlé et de l’air non brûlé – pour générer la poussée.

Efficacité et limites

Comme pour tout autre type de véhicule, tel que votre voiture, l’efficacité des moteurs utilisés dans les avions est toujours un sujet de préoccupation. Étant donné que les turbopropulseurs et les turbofans fonctionnent de manière totalement différente les uns des autres, chacun est plus efficace que l’autre à certaines vitesses et altitudes, chacun étant limité par un facteur différent.

Pour les turbopropulseurs, le facteur limitant leur efficacité est la vitesse de l’hélice. Sans entrer dans les détails du fonctionnement des hélices pour générer la poussée, sachez simplement que la surface des pales de l’hélice doit augmenter proportionnellement à la puissance du moteur. Cela peut se faire soit en augmentant le nombre de pales, soit en ajoutant des cordes à chaque pale, soit en augmentant la longueur de la pale.

En général, la surface des pales est augmentée en augmentant leur longueur. Mais cela n’est possible que dans une certaine mesure, car la vitesse à l’extrémité des pales augmente de manière exponentielle et devra finalement être supersonique pour générer une vitesse suffisante. C’est généralement la limite de la plage de fonctionnement efficace des moteurs à hélice, y compris les turbopropulseurs. Pour cette raison, les turbopropulseurs sont plus efficaces à des vitesses subsoniques.

Les turboréacteurs ne sont généralement pas limités par la vitesse de l’air en raison du mode de fonctionnement de l’admission et de l’absence d’hélice. Dans le cas des turbosoufflantes, les entrées d’air sont spécialement conçues pour contrôler la vitesse de l’air d’admission. Même à des vitesses plus élevées, les entrées d’air sont conçues pour abaisser la vitesse de l’air à un niveau plus utilisable, ce qui signifie que ces moteurs peuvent généralement fonctionner efficacement à des vitesses bien supérieures à celles d’un turbopropulseur.

avion

Pour les turbosoufflantes, le facteur limitant en matière d’efficacité est une combinaison des températures internes du moteur, du taux de compression et de la conception de la tuyère. À un moment donné, le moteur ne peut gérer qu’une quantité limitée d’air et de compression, et la tuyère ne peut produire qu’une quantité limitée de poussée à partir de la quantité d’air aspirée par le moteur.

Globalement, un turbopropulseur sera généralement plus efficace à des vitesses subsoniques qu’un turboréacteur à double flux volant dans les mêmes conditions. Mais un moteur à turbosoufflante est capable de continuer à fonctionner à des vitesses bien plus élevées qu’un turboréacteur à double flux et est nécessaire pour les avions qui volent à des vitesses supersoniques. Même à des vitesses inférieures, un turboréacteur à double flux produira généralement plus de poussée relative pour amener l’avion à sa destination plus rapidement – il consommera simplement plus de carburant au cours du processus.

Performances

En ce qui concerne les moteurs d’avion, les performances sont étroitement liées à l’efficacité, car l’une dicte généralement l’autre et les deux sont limitées par les mêmes facteurs. Ainsi, les performances d’un turbopropulseur sont limitées par la vitesse de l’hélice, tandis que celles d’un turboréacteur à double flux sont limitées par les températures de fonctionnement, le taux de compression et la conception des tuyères.

Cela dit, je ne vais pas m’attarder à expliquer à nouveau les limites de chaque type de moteur. Examinons plutôt les limites réelles des performances de chacun. Comme mentionné dans la section précédente, un turbopropulseur est généralement limité au vol subsonique. Non seulement son efficacité diminue radicalement à des vitesses supersoniques, mais la capacité du moteur à continuer à produire de la poussée diminue tout aussi rapidement. Ainsi, à toutes fins utiles, un turbopropulseur est presque exclusivement utilisé à des vitesses subsoniques.

Comme vous pouvez l’imaginer, la capacité de performance d’un turbofan est nettement supérieure à celle d’un turbopropulseur. Le meilleur exemple des performances d’un turboréacteur à double flux est sans aucun doute l’avion le plus rapide de tous les temps, le Lockheed Martin SR-71 Blackbird. Grâce aux moteurs à turbosoufflante, cet incroyable avion a pu voler à une vitesse de 2 193 miles à l’heure et atteindre des altitudes stupéfiantes de plus de 85 000 pieds.

En fin de compte, un turbofan a un potentiel de performance beaucoup plus élevé qu’un turbopropulseur. Puisqu’il est capable de continuer à produire une poussée à des vitesses plus élevées, un turboréacteur à double flux permet aux avions de continuer à accélérer, même au-delà de la vitesse du son. Cela dit, comme mentionné dans la section précédente, un turbopropulseur sera plus efficace dans les mêmes conditions atmosphériques lors de vols subsoniques.

Turbopropulseur et Turbofan : Lequel est le plus sûr ?

Avant que vous ne commenciez à vous inquiéter des problèmes de sécurité potentiels de l’un ou l’autre type de moteur, je commencerai par dire que les turbopropulseurs et les turboréacteurs sont tous deux incroyablement sûrs et fiables. Cela dit, il y a quelques points à garder à l’esprit avec chaque type de moteur, qui ont plus à voir avec la façon dont ils sont installés qu’avec la sécurité et la fiabilité qui se présentent lors des opérations de vol normales.

Avec les turbopropulseurs, vous pouvez probablement deviner quel est le principal problème en matière de sécurité : l’hélice. Les hélices tournent vite (vraiment très vite) et peuvent créer un risque de sécurité pour quiconque s’en approche pendant le vol. Deuxièmement, les hélices ont également besoin d’un dégagement adéquat par rapport aux moteurs, au fuselage et à toute autre partie de l’avion, ce qui peut créer des problèmes aérodynamiques qui n’existent pas avec les turbosoufflantes.

Et même si les avions peuvent voler lorsqu’un moteur tombe en panne, l’emplacement de montage et les déficiences aérodynamiques du turbopropulseur produisent une traînée excessive et le couple qui en résulte. Lorsqu’un moteur tombe en panne sur un avion turbopropulseur multimoteur, le moteur en état de marche produit plus de couple et fait naturellement rouler l’avion dans cette direction, ce qui peut rendre l’atterrissage beaucoup plus mouvementé et stressant pour les pilotes concernés.

Si vous vous souvenez du fonctionnement des turbopropulseurs, qui transfèrent l’énergie de rotation de la turbine à l’hélice elle-même, vous comprendrez que ces moteurs sont également confrontés à des problèmes de vibrations plus importants que les autres types de moteurs. La turbine tourne, ce qui passe ensuite par une boîte de vitesses où l’arbre de sortie doit faire tourner l’hélice aux vitesses plus lentes nécessaires au fonctionnement. Cela crée davantage de possibilités de défaillance.

Si l’on compare ces facteurs à un turboréacteur à double flux, les effets sont moins radicaux. Tout d’abord, les turbosoufflantes peuvent être montées beaucoup plus près du fuselage ou à d’autres endroits qui présentent beaucoup moins de problèmes d’aérodynamisme. De plus, sans la résistance supplémentaire d’une hélice, si un moteur tombe en panne dans un avion multimoteur à turbosoufflante, il n’y aura pas autant de force excessive agissant sur l’avion. Il est donc plus facile de piloter un avion à turboréacteur en cas de panne de moteur.

Deuxièmement, comme il n’y a pas de boîte de vitesses pour transférer l’énergie de rotation de la turbine en rotation à l’hélice, il y a moins de risque de vibrations excessives. Et si les turbopropulseurs sont conçus pour tenir compte de ces vibrations, il convient de noter que le problème ne sera pas aussi répandu dans les turbofans. Cependant, les turbosoufflantes fonctionnent généralement à une température plus élevée que les turbopropulseurs, ce qui peut poser d’autres problèmes.

Cela dit, les moteurs eux-mêmes sont tout aussi sûrs les uns que les autres, à l’exception de tout problème potentiel lié aux vibrations. La plus grande différence, la disparité aérodynamique, est surtout due aux exigences d’installation du turbopropulseur, et non au moteur lui-même. À toutes fins utiles, les deux moteurs sont sûrs et fiables, mais un avion utilisant un turbopropulseur peut être plus facile à utiliser en cas de panne du moteur.

Turbopropulseur et turbofan : Lequel est le meilleur ?

Déterminer quel type de moteur est le meilleur est généralement une discussion subjective à laquelle il n’est pas si facile de répondre. En fin de compte, comme pour la plupart des choses, cela dépendra presque entièrement de ce que vous cherchez à obtenir du moteur et de vos objectifs pour l’avion en question. Un turbopropulseur et un turbofan peuvent tous deux être meilleurs dans une situation donnée.

La meilleure façon de déterminer lequel est le meilleur est de combiner tous les éléments que nous avons examinés jusqu’à présent – performances, efficacité, limites et sécurité. Comme je l’ai déjà expliqué en détail ci-dessus, je vais me contenter de résumer les conclusions ici et tenter d’apporter une réponse définitive à la question de savoir quel moteur est le meilleur. Mais ce n’est pas aussi facile que vous pourriez le penser !

En termes de performances, d’efficacité et de limitations, tout dépend de ce que vous voulez faire de votre avion. Si vous savez que vous allez voler à basse vitesse (c’est-à-dire à des vitesses subsoniques), alors un turbopropulseur sera plus efficace et vous permettra d’économiser du carburant. En revanche, si vous prévoyez de voler à des vitesses subsoniques, vous voudrez certainement avoir un avion équipé d’un moteur à turbosoufflante pour fonctionner efficacement.

Pour ces catégories, il n’y a pas de réponse définitive.

En ce qui concerne la sécurité, vous savez d’expérience que les deux types de moteurs sont fiables et sûrs. Les turbopropulseurs peuvent créer une traînée excessive et un couple déséquilibré si l’un d’entre eux venait à tomber en panne sur un avion multimoteur, alors que les turbofans n’auront pas ce problème. Du moins pas dans la même mesure. Mais là encore, les turbos ont des températures internes de fonctionnement plus élevées à des vitesses plus élevées, ce qui peut entraîner d’autres problèmes.

Encore une fois, il n’y a pas de réponse définitive en matière de sécurité.

Je sais que cela peut sembler être une échappatoire, mais c’est en fait la vérité ! Aucun de ces deux types de moteurs n’est intrinsèquement meilleur que l’autre. Dans certaines conditions, un turbopropulseur sera le meilleur choix. Dans d’autres conditions, c’est le turbofan qui s’impose. En fin de compte, tout dépend de la façon dont l’avion est utilisé et de ce que vous espérez obtenir en le pilotant !

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