🟢 ✈️ Moteur d'avion : section compresseur et diffuseur - Compressor Section and Diffuser 🚁

Section compresseur

La section compresseur du moteur à turbine à gaz a de nombreuses fonctions. Sa fonction première est de fournir de l'air en quantité suffisante pour satisfaire les besoins des brûleurs à combustion. En effet, pour remplir sa fonction, le compresseur doit augmenter la pression de la masse d'air reçue du conduit d'admission d'air, puis la refouler vers les brûleurs dans la quantité et aux pressions requises.

Une fonction secondaire du compresseur est de fournir de l'air de prélèvement à diverses fins dans le moteur et l'avion. L'air prélevé est prélevé sur l'un des différents étages de pression du compresseur. L'emplacement exact des orifices de purge dépend, bien sûr, de la pression ou de la température requise pour un travail particulier. Les orifices sont de petites ouvertures dans le carter du compresseur adjacentes à l'étage particulier à partir duquel l'air doit être purgé ; ainsi, différents degrés de pression sont disponibles simplement en puisant dans l'étage approprié. L'air est souvent purgé de l'étage de pression final ou le plus élevé car, à ce stade, la pression et la température de l'air sont au maximum. Parfois, il peut être nécessaire de refroidir cet air à haute pression. S'il est utilisé pour la pressurisation de la cabine ou à d'autres fins pour lesquelles un excès de chaleur serait inconfortable ou préjudiciable,

L'air de prélèvement est utilisé de différentes manières. Certaines des applications actuelles de l'air prélevé sont : 1. Pressurisation, chauffage et refroidissement de la cabine ; 2. Équipement de dégivrage et d'antigivrage; 3. Démarrage pneumatique des moteurs ; et 4. Unités d'entraînement auxiliaires (ADU).

Types de compresseur 

Les deux principaux types de compresseurs actuellement utilisés dans les moteurs d'avions à turbine à gaz sont le flux centrifuge et le flux axial. Le compresseur à flux centrifuge atteint son objectif en captant l'air entrant et en l'accélérant vers l'extérieur par l'action centrifuge. Le compresseur à flux axial comprime l'air tandis que l'air continue dans son sens d'écoulement d'origine, évitant ainsi la perte d'énergie causée par les virages. Les composants de chacun de ces deux types de compresseurs ont leurs fonctions propres dans la compression de l'air pour la section de combustion. Un étage dans un compresseur est considéré comme une montée en pression. 

Compresseurs centrifuges

Le compresseur centrifuge se compose d'une roue (rotor), d'un diffuseur (stator) et d'un collecteur de compresseur. Les compresseurs centrifuges ont une montée en pression élevée par étage qui peut être d'environ 8:1. Généralement, les compresseurs centrifuges sont limités à deux étages en raison de problèmes d'efficacité. Les deux principaux éléments fonctionnels sont la roue et le diffuseur. Bien que le diffuseur soit une unité séparée et qu'il soit placé à l'intérieur et boulonné au collecteur, l'ensemble complet (diffuseur et collecteur) est souvent appelé diffuseur. Pour plus de clarté lors de la familiarisation avec le compresseur, les unités sont traitées individuellement. La roue est généralement fabriquée à partir d'un alliage d'aluminium forgé, traité thermiquement, usiné et lissé pour un minimum de restriction de débit et de turbulence.

Dans la plupart des types, la roue est fabriquée à partir d'un seul forgeage. Ce type de roue est illustré à la figure. L'impulseur, dont la fonction est de capter et d'accélérer l'air vers l'extérieur vers le diffuseur, peut être de deux types : simple entrée ou double entrée. Les principales différences entre les deux types de roues sont la taille et la disposition des conduits. Le type à double entrée a un diamètre plus petit mais fonctionne généralement à une vitesse de rotation plus élevée pour assurer un débit d'air suffisant. La turbine à entrée unique, illustrée sur la figure, permet un conduit pratique directement vers l'œil de la turbine (aubes d'induction) par opposition au conduit plus compliqué nécessaire pour atteindre le côté arrière du type à double entrée. Bien que légèrement plus efficace pour la réception de l'air, la turbine à simple entrée doit être de grand diamètre pour fournir la même quantité d'air que le type à double entrée. 

La chambre de tranquillisation est incluse dans les conduits des moteurs à compresseur à double entrée. Cette chambre est nécessaire pour un compresseur à double entrée car l'air doit entrer dans le moteur presque perpendiculairement à l'axe du moteur. Par conséquent, afin de donner un débit positif, l'air doit entourer le compresseur du moteur à une pression positive avant d'entrer dans le compresseur. Les portes d'entrée d'air auxiliaires (portes soufflées) sont incluses dans certaines installations en tant que pièces nécessaires du plénum. Ces portes soufflantes admettent de l'air dans le compartiment moteur pendant le fonctionnement au sol, lorsque les besoins en air du moteur dépassent le débit d'air à travers les conduits d'admission. Les portes sont maintenues fermées par l'action du ressort lorsque le moteur ne fonctionne pas. Pendant le fonctionnement, cependant, les portes s'ouvrent automatiquement chaque fois que la pression du compartiment moteur descend en dessous de la pression atmosphérique. Pendant le décollage et le vol, la pression d'air dynamique dans le compartiment moteur aide les ressorts à maintenir les portes fermées.

Le diffuseur est une chambre annulaire munie d'un certain nombre d'aubes formant une série de passages divergents dans le collecteur. Les aubes du diffuseur dirigent le flux d'air de la roue vers le collecteur à un angle conçu pour retenir la quantité maximale d'énergie transmise par la roue. Ils fournissent également l'air au collecteur à une vitesse et une pression satisfaisantes pour une utilisation dans les chambres de combustion. Reportez-vous à la figure et notez la flèche indiquant le chemin du flux d'air à travers le diffuseur, puis à travers le collecteur.  

Le collecteur du compresseur représenté sur la figure dévie le flux d'air du diffuseur, qui fait partie intégrante du collecteur, vers les chambres de combustion. Le collecteur a un orifice de sortie pour chaque chambre afin que l'air soit réparti uniformément. Un coude de sortie de compresseur est boulonné à chacun des orifices de sortie. Ces sorties d'air sont construites sous forme de conduits et sont connues sous diverses appellations telles que conduits de sortie d'air, coudes de sortie ou conduits d'entrée de chambre de combustion. Quelle que soit la terminologie utilisée, ces conduits de sortie effectuent une partie très importante du processus de diffusion ; c'est-à-dire qu'ils changent la direction radiale du flux d'air en une direction axiale, dans laquelle le processus de diffusion est terminé après le virage. Pour aider les coudes à remplir cette fonction de manière efficace, des aubes directrices (aubes en cascade) sont parfois montées à l'intérieur des coudes. 

Compresseur à flux axial

Le compresseur à flux axial comporte deux éléments principaux : un rotor et un stator. Le rotor a des pales fixées sur un axe. Ces pales poussent l'air vers l'arrière de la même manière qu'une hélice en raison de leur angle et de leur profil aérodynamique. Le rotor, tournant à grande vitesse, aspire l'air à l'entrée du compresseur et le propulse à travers une série d'étages. De l'entrée à la sortie, l'air circule le long d'un trajet axial et est comprimé à un rapport d'environ 1,25:1 par étage. L'action du rotor augmente la compression de l'air à chaque étage et l'accélère vers l'arrière à travers plusieurs étages. Avec cette vitesse accrue, l'énergie est transférée du compresseur à l'air sous forme d'énergie de vitesse. Les aubes de stator agissent comme des diffuseurs à chaque étage, convertissant partiellement une vitesse élevée en pression. Chaque paire consécutive d'aubes de rotor et de stator constitue un étage de pression. Le nombre de rangées d'aubes (étages) est déterminé par la quantité d'air et l'augmentation de pression totale requise. Le rapport de pression du compresseur augmente avec le nombre d'étages de compression. La plupart des moteurs utilisent jusqu'à 16 étages et plus.

Le stator a des rangées d'aubes, qui sont à leur tour fixées à l'intérieur d'un boîtier enveloppant. Les aubes du stator, qui sont fixes, font saillie radialement vers l'axe du rotor et s'ajustent étroitement de part et d'autre de chaque étage des aubes du rotor. Dans certains cas, le carter du compresseur, dans lequel les aubes du stator sont montées, est divisé horizontalement en deux moitiés. La moitié supérieure ou inférieure peut être retirée pour l'inspection ou l'entretien des aubes de rotor et de stator.

La fonction des aubes du stator est de recevoir de l'air du conduit d'admission d'air ou de chaque étage précédent et d'augmenter la pression de l'air et de le fournir à l'étage suivant à la vitesse et à la pression correctes. Ils contrôlent également la direction de l'air vers chaque étage du rotor pour obtenir le maximum d'efficacité possible des aubes du compresseur. La figure montre les éléments du rotor et du stator d'un compresseur à flux axial typique. Les aubes mobiles du premier étage peuvent être précédées d'un ensemble d'aubes directrices d'entrée qui peut être fixe ou variable.  

Les aubes directrices dirigent le flux d'air dans les pales du rotor du premier étage à l'angle approprié et impriment un mouvement tourbillonnant à l'air entrant dans le compresseur. Ce prétourbillon, dans le sens de rotation du moteur, améliore les caractéristiques aérodynamiques du compresseur en réduisant la traînée sur les aubes du rotor du premier étage. Les aubes directrices d'entrée sont des aubes courbes en acier généralement soudées à des carénages intérieurs et extérieurs en acier.

À l'extrémité de refoulement du compresseur, les aubes de stator sont conçues pour redresser le flux d'air afin d'éliminer les turbulences. Ces aubes sont appelées aubes redresseuses ou ensemble d'aubes de sortie. Les carters des compresseurs à flux axial non seulement supportent les aubes de stator et constituent la paroi extérieure du trajet axial suivi par l'air, mais ils fournissent également les moyens d'extraire l'air du compresseur à diverses fins. Les aubes de stator sont généralement en acier résistant à la corrosion et à l'érosion. Assez fréquemment, ils sont enveloppés (enfermés) par une bande de matériau approprié pour simplifier le problème de fixation. Les aubes sont soudées dans les carénages et le carénage extérieur est fixé à la paroi intérieure du carter du compresseur par des vis de retenue radiales.

Les pales du rotor sont généralement en acier inoxydable, les derniers étages étant en titane. La conception de la fixation des pales aux jantes du disque du rotor varie, mais elles sont généralement montées dans les disques par des méthodes de type bulbe ou sapin. Les lames sont ensuite verrouillées en place par différentes méthodes. Les pointes d'aubes de compresseur sont réduites en épaisseur par des découpes, appelées profils d'aubes. Ces profils évitent d'endommager gravement l'aube ou le carter si les aubes entrent en contact avec le carter du compresseur. Cette condition peut se produire si les pales du rotor se desserrent excessivement ou si le support du rotor est réduit par un roulement défectueux. Même si les profils d'aubes réduisent considérablement ces possibilités, une aube peut occasionnellement se rompre sous la contrainte du frottement et causer des dommages considérables aux aubes de compresseur et aux ensembles d'aubes de stator. Les aubes varient en longueur de l'entrée au refoulement car l'espace de travail annulaire (tambour à carter) se réduit progressivement vers l'arrière par la diminution du diamètre du carter. Cette caractéristique assure une vitesse assez constante à travers le compresseur, ce qui aide à maintenir le débit d'air constant.

Le rotor présente une construction de type tambour ou de type disque. Le rotor de type tambour est constitué d'anneaux qui sont bridés pour s'emboîter les uns contre les autres, l'ensemble pouvant alors être maintenu ensemble par des boulons traversants. Ce type de construction est satisfaisant pour les compresseurs à basse vitesse où les contraintes centrifuges sont faibles. Le rotor de type disque se compose d'une série de disques usinés à partir de pièces forgées en aluminium, rétrécis sur un arbre en acier, avec des pales de rotor en queue d'aronde dans les jantes du disque. Une autre méthode de construction du rotor consiste à usiner les disques et l'arbre à partir d'une seule pièce forgée en aluminium, puis à boulonner des demi-arbres en acier à l'avant et à l'arrière de l'ensemble pour fournir des surfaces de support de palier et des cannelures pour joindre l'arbre de turbine. Les rotors de type tambour et de type disque sont illustrés respectivement sur les figures.

La combinaison des étages de compresseur et des étages de turbine sur un arbre commun constitue un moteur appelé corps de moteur. L'arbre commun est fourni en joignant les arbres de turbine et de compresseur par un procédé approprié. La bobine du moteur est supportée par des roulements, qui sont logés dans des logements de roulement appropriés.

Comme mentionné précédemment, il existe deux configurations du compresseur axial actuellement utilisées : le rotor/bobine unique et le rotor/bobine double, parfois appelés bobine solide et bobine divisée (deux bobines, double bobine).

Une version du compresseur à tiroir solide (un tiroir) utilise des aubes directrices à entrée variable. De plus, les premières rangées d'aubes de stator sont variables. La principale différence entre l'aube directrice à entrée variable (VIGV) et une aube de stator variable (VSV) est leur position par rapport aux pales du rotor. Les VIGV sont devant les pales du rotor et les VSV sont derrière les pales du rotor. Les angles des aubes directrices d'entrée et des premiers étages des aubes de stator peuvent être variables. Pendant le fonctionnement, l'air pénètre à l'avant du moteur et est dirigé dans le compresseur à l'angle approprié par le guide d'admission variable et dirigé par le VSV. L'air est comprimé et forcé dans la section de combustion. Une buse de carburant qui s'étend dans chaque chemise de combustion atomise le carburant pour la combustion.

La plupart des turbosoufflantes sont du type à compresseur à corps divisé. La plupart des gros moteurs à double flux utilisent un grand ventilateur avec quelques étages de compression appelé le tiroir basse pression. Ces turbosoufflantes intègrent deux compresseurs avec leurs turbines respectives et leurs arbres d'interconnexion, qui forment deux systèmes de rotors physiquement indépendants. De nombreux systèmes à double rotor ont des rotors tournant dans des directions opposées et sans connexion mécanique entre eux. Le deuxième tiroir, appelé tiroir haute pression et compresseur du générateur de gaz et du noyau du moteur, fournit de l'air à la section de combustion du moteur.  

Les avantages et les inconvénients des deux types de compresseurs sont inclus dans la liste suivante. Même si chaque type a des avantages et des inconvénients, chacun a son utilisation selon le type et la taille du moteur.

Les avantages du compresseur centrifuge sont : • Forte montée en pression par étage, • Efficacité sur une large plage de vitesse de rotation, • Simplicité de fabrication et faible coût, • Faible poids, et • Faible besoin en puissance de démarrage.

Les inconvénients du compresseur centrifuge sont : • Sa grande surface frontale pour un débit d'air donné et • Les pertes en spires entre étages. 

Les avantages du compresseur à flux axial sont : • Des rendements de pointe élevés ; • Petite surface frontale pour un débit d'air donné ; • Écoulement direct, permettant une grande efficacité du vérin ; et • Augmentation de la pression en augmentant le nombre d'étages, avec des pertes négligeables. 

Les inconvénients du compresseur à flux axial sont : • De bons rendements sur une plage de vitesse de rotation étroite uniquement, • Une fabrication difficile et un coût élevé, • Un poids relativement élevé, et • Des exigences de puissance de démarrage élevées (partiellement surmontées par les compresseurs divisés). 

Diffuseur

Le diffuseur est la section divergente du moteur après le compresseur et avant la section de combustion. Il a la fonction très importante de réduire l'air de refoulement du compresseur à grande vitesse à une pression accrue à une vitesse plus lente. Cela prépare l'air pour l'entrée dans la zone de combustion de la flamme de la section de combustion à une vitesse inférieure de sorte que la flamme de combustion puisse brûler en continu. Si l'air traversait la zone de la flamme à grande vitesse, il pourrait éteindre la flamme.