Hélicoptère : Moteurs
Moteurs alternatifs
Les moteurs alternatifs, également appelés moteurs à pistons, sont généralement utilisés dans les petits hélicoptères. La plupart des hélicoptères d'entraînement utilisent des moteurs alternatifs car ils sont relativement simples et peu coûteux à utiliser.
Moteurs à turbine
Les moteurs à turbine sont plus puissants et sont utilisés dans une grande variété d'hélicoptères. Ils produisent une énorme quantité d'énergie pour leur taille, mais sont généralement plus coûteux à exploiter. Le moteur à turbine utilisé dans les hélicoptères fonctionne différemment de ceux utilisés dans les applications aéronautiques. Dans la plupart des applications, les sorties d'échappement libèrent simplement les gaz consommés et ne contribuent pas au mouvement vers l'avant de l'hélicoptère. Environ 75 % du flux d'air entrant est utilisé pour refroidir le moteur.
Le moteur à turbine à gaz monté sur la plupart des hélicoptères est composé d'un compresseur, d'une chambre de combustion, d'une turbine et d'un ensemble de boîte de vitesses d'accessoires. Le compresseur aspire l'air filtré dans le plénum et le comprime. Les filtres de type courant sont des tubes tourbillonnants centrifuges où les débris sont éjectés vers l'extérieur et soufflés par-dessus bord avant d'entrer dans le compresseur, ou des filtres à barrière moteur (EBF), similaires à l'élément filtrant K&N utilisé dans les applications automobiles.
Bien que cette conception réduise considérablement l'ingestion de corps étrangers dans le moteur, il est important que les pilotes soient conscients de la quantité de débris réellement filtrée. Travailler dans le sable, la poussière ou même dans des matériaux de type herbeux peut étouffer un moteur en quelques minutes. L'air comprimé est dirigé vers la section de combustion à travers des tubes de décharge où du carburant atomisé y est injecté. Le mélange carburant/air est enflammé et on le laisse se dilater. Ce gaz de combustion est ensuite forcé à travers une série de roues de turbine les faisant tourner. Ces roues de turbine alimentent à la fois le compresseur du moteur et la boîte de vitesses d'accessoires. Selon le modèle et le fabricant, le régime peut varier de 20 000 à 51 600.
La puissance est fournie aux systèmes de rotor principal et de rotor de queue par l'intermédiaire de l'unité de roue libre qui est fixée à l'arbre de transmission de puissance de la boîte de vitesses d'accessoires. Les gaz de combustion sont finalement expulsés par une sortie d'échappement. La température du gaz est mesurée à différents endroits et est référencée différemment par chaque fabricant. Certains termes courants sont la température inter-turbine (ITT), la température des gaz d'échappement (EGT), la température des gaz mesurée (MGT) ou la température de sortie de la turbine (TOT). TOT est utilisé tout au long de cette discussion pour plus de simplicité.
Compresseur
Le compresseur peut consister en un compresseur axial, un compresseur centrifuge ou une combinaison des deux.
Un compresseur axial est constitué de deux éléments principaux : le rotor et le stator. Le rotor se compose d'un certain nombre de pales fixées sur un axe rotatif et ressemble à un ventilateur. Lorsque le rotor tourne, l'air est aspiré vers l'intérieur. Les aubes de stator sont disposées en rangées fixes entre les pales du rotor et agissent comme un diffuseur à chaque étage pour diminuer la vitesse de l'air et augmenter la pression de l'air. Il peut y avoir plusieurs rangées d'aubes de rotor et d'aubes de stator. Chaque rangée constitue un étage de pression, et le nombre d'étages dépend de la quantité d'air et de l'augmentation de pression requise pour le moteur particulier.
Un compresseur centrifuge se compose d'une roue, d'un diffuseur et d'un collecteur. La roue à aubes, qui est un disque forgé avec des pales intégrales, tourne à grande vitesse pour aspirer l'air et l'expulser à un rythme accéléré. L'air passe ensuite à travers le diffuseur, ce qui ralentit l'air. Lorsque la vitesse de l'air est ralentie, la pression statique augmente, ce qui produit de l'air comprimé à haute pression. L'air à haute pression traverse ensuite le collecteur du compresseur où il est distribué à la chambre de combustion via des tubes de refoulement.
Si le flux d'air à travers le compresseur est perturbé, une condition appelée surtension ou décrochage du compresseur peut se produire. Ce phénomène est un calage périodique des aubes du compresseur. Lorsque cela se produit, la pression au niveau du compresseur est réduite et la pression de combustion peut provoquer un flux inverse dans la sortie du compresseur. Lorsque le débit d'air à travers le compresseur est réduit, la pression d'air augmente alors temporairement, corrigeant la condition jusqu'à ce qu'elle se reproduise. Cela se fait sentir dans toute la cellule sous forme de vibrations et s'accompagne d'une perte de puissance et d'une augmentation du TOT lorsque la commande de carburant ajoute du carburant pour tenter de maintenir la puissance. Cette condition peut être corrigée en activant le système de purge d'air qui évacue l'excès de pression dans l'atmosphère et permet à un plus grand volume d'air d'entrer dans le compresseur pour débloquer les aubes du compresseur.
Chambre de combustion
Contrairement à un moteur à pistons, la combustion dans un moteur à turbine est continue. Une bougie d'allumage sert uniquement à enflammer le mélange carburant/air lors du démarrage du moteur. Une fois que le mélange carburant/air est enflammé, il continue à brûler tant que le mélange carburant/air continue d'être présent. S'il y a une interruption de carburant, d'air ou des deux, la combustion cesse. C'est ce qu'on appelle une « extinction » et le moteur doit être redémarré ou rallumé. Certains hélicoptères sont équipés d'un rallumage automatique, qui active automatiquement les allumeurs pour démarrer la combustion si le moteur s'éteint.
Turbine
La section de turbine à deux étages se compose d'une série de roues de turbine qui sont utilisées pour entraîner la section de compresseur et d'autres composants fixés à la boîte de vitesses des accessoires. Les deux étages peuvent être constitués d'une ou plusieurs roues de turbine. Le premier étage est généralement appelé générateur de gaz (N1 ou NG) tandis que le deuxième étage est communément appelé turbine de puissance (N2 ou NP). (La lettre N est utilisée pour désigner la vitesse de rotation.)
Si les turbines du premier et du deuxième étage sont couplées mécaniquement l'une à l'autre, le système est dit à turbine fixe (turbomoteur). Ces moteurs partagent un arbre commun, ce qui signifie que les turbines du premier et du deuxième étage, et donc le compresseur et l'arbre de sortie, sont connectés.
Sur la plupart des assemblages de turbines utilisés dans les hélicoptères, les turbines du premier étage et du deuxième étage ne sont pas reliées mécaniquement l'une à l'autre. Au contraire, ils sont montés sur des arbres indépendants, l'un dans l'autre, et peuvent tourner librement l'un par rapport à l'autre. C'est ce qu'on appelle une "turbine libre". Lorsqu'un moteur à turbine libre est en marche, les gaz de combustion traversent la turbine du premier étage (N1) pour entraîner le compresseur et les autres composants, puis passent devant la turbine indépendante du deuxième étage (N2), qui fait tourner la boîte de vitesses de puissance et d'accessoires pour entraîner le arbre de sortie, ainsi que d'autres composants divers.
Boîte de vitesses accessoire
La boîte de vitesses d'accessoires du moteur abrite tous les engrenages nécessaires pour entraîner les nombreux composants de l'hélicoptère. La puissance est fournie à la boîte de vitesses des accessoires par les arbres indépendants reliés aux roues de turbine N1 et N2. L'étage N1 entraîne les composants nécessaires pour compléter le cycle de la turbine, rendant le moteur autonome. Les composants communs entraînés par l'étage N1 sont le compresseur, la pompe à huile, la pompe à carburant et le démarreur/générateur. L'étage N2 est dédié à l'entraînement des systèmes d'entraînement du rotor principal et du rotor de queue et d'autres accessoires tels que les générateurs, les alternateurs et la climatisation.
