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Réacteur et APU du B737-800

Table des matières

Partant du principe que l’on utilise toujours mieux un système lorsque l’on sait comment il fonctionne, je vous propose d’examiner la conception et le fonctionnement des principaux circuits du B737-800 en commençant par décomposer le réacteur et l’APU.

Un peu de théorie du réacteur

La petite histoire

Petit rappel historique, pour commencer : la propulsion à réaction à vu le jour à la fin de la dernière guerre. En 1944, le premier jet opérationnel fut le Me 262, chasseur allemand construit à 1500 exemplaires environ.

Fort heureusement pour nous, ce premier jet avait de nombreux défauts et ne put redonner la suprématie aérienne à l’armée de l’air du Reich…

Le principe

Mais tout d’abord, pourquoi appelle-t-on ces moteurs des réacteurs ou turboréacteurs ? Tout simplement parce qu’ils fonctionnent en application du principe « Action/Réaction » qui dit que toute action dans un sens provoque une réaction dans le sens opposé.

 

Ces quelques exemples bien connus mettent en évidence ce principe :

Ce dernier exemple est particulièrement représentatif du principe de fonctionnement d’un réacteur : par la tuyère, on éjecte des gaz à grande vitesse. C’est la différence de vitesse en l’air qui entre à l’avant et celle des gaz qui sortent à l’arrière qui va produire la poussée.

Instinctivement on peut déjà déduire de ces observations que la masse et la vitesse de projection conditionneront la force de propulsion obtenue : une carabine à plomb aura beaucoup moins de recul qu’un canon de 75, de même qu’il ne suffira pas de lancer un grain de riz si on veut faire avancer la barque ! En ce qui concerne la vitesse, le ballon gonflé à bloc éjectera l’air avec une plus grande vitesse et se déplacera donc plus rapidement. Puis il ralentira au fur et à mesure qu’il se dégonflera…

On vient de découvrir les paramètres qui vont jouer sur la poussée d’un réacteur : plus la quantité d’air brassée sera grande et plus la poussée sera importante comme on le voit avec les quatre énormes réacteurs d’un A380. Et on vient de comprendre aussi que la poussée d’un jet sera maximum au début du décollage, lorsque la vitesse de l’avion sera nulle ou très faible, et ne fera que diminuer lorsque l’avion prendra de la vitesse (différence entre vitesse des gaz d’échappement et vitesse avion) ou de l’altitude (masse volumique de l’air diminue).

Le réacteur avale un volume et délivre une masse.

Ainsi, en première approximation, on peut dire que la poussée disponible à l’altitude de croisière est à peine le quart de ce qu’elle est au décollage…

Et on commence à imaginer la difficulté pour mettre au point un tel moteur qui devra être performant à la fois au décollage et en croisière !

Comment cela fonctionne ?

Pour simplifier, on pourrait dire que c’est un chalumeau équipé d’un turbo compresseur !

Le schéma ci-dessus est celui d’un réacteur mono flux à compresseur axial, tel que le Junkers Jumo 004 qui équipait le Me 262, ou comme le Pratt et Whitney JT4A qui équipait les B707 ou les DC8 de première génération. Il existe aussi des réacteurs à compresseur centrifuge, plus limités en puissance (Marboré du Fouga Magistère ou les turbopropulseurs et les turbines d’hélicoptère).

Le kérosène sous pression est brûlé dans l’air qui sort du compresseur. Le mélange gazeux se trouve fortement accéléré dans la chambre de combustion et la tuyère. Au passage, une turbine prélève l’énergie nécessaire pour faire tourner le compresseur.

 

Les problèmes de forte consommation et de bruit font qu’ils sont aujourd’hui remplacés par des réacteurs à double flux. Tous les jets civils actuels sont équipés de réacteurs à double flux, plus économiques, plus performants et moins bruyants.

 

Le flux primaire met en œuvre un réacteur mono flux tel que l’on vient de le décrire. Mais celui-ci est équipé, sur un axe concentrique, d’une turbine à plusieurs étages, qui prélève une forte puissance pour faire tourner, en avant du compresseur, une hélice carénée qu’on appelle le fan. Cet ensemble, qu’on appelle l’attelage basse pression, brasse uniquement de l’air que l’on appelle flux secondaire.

Le taux de dilution est le rapport entre le volume du flux secondaire et celui du flux primaire. Sur les réacteurs modernes dits à haut taux de dilution, la poussée du réacteur est fournie à 70 ou 80% par le flux secondaire, le flux primaire servant principalement à faire tourner le fan et le boitier d’accessoires que l’on voit sous le réacteur…

Le réacteur CFM56

Caractéristiques

Le B737-800 est équipé de deux réacteurs CFM 56 – 7B. Ces moteurs sont le fruit de la collaboration entre le géant américain General Electric et le motoriste français SNECMA (Société nationale d’étude et de construction de moteurs d’aviation), qui fait maintenant partie du groupe SAFRAN (cocorico !).

Voici les caractéristiques principales de ce réacteur :

Les réacteurs sont particulièrement sensibles sur deux paramètres : à basse température, c’est la vitesse de rotation des deux mobiles qu’il faut surveiller de très près (104% N1 = 5400 t/mn, 105% N2 = 15200 t/mn). Quand il fait chaud, plus de 30°C, c’est la température à la sortie de la chambre de combustion qui devient le paramètre critique (EGT).

Voici une coupe détaillée du réacteur CFM56-7 : on retrouve les principaux éléments mentionnés dans notre petite étude théorique :

L’EGT (Exhaust Gas Temperature) est mesurée après la turbine HP (950°C maxi) ; dans la chambre de combustion, la température se situe entre 1500° et 2000°C.

Le moteur complet pèse environ 2,4 t.

Les instruments de contrôle

Les paramètres moteur sont affichés sur les deux écrans DU :

A noter, ici encadré en rouge car un peu discret, l’indication de la limite active de N1 en fonction de la phase du vol, avec la valeur en vert au-dessus de l’indication digitale du N1… Cette valeur est remplacée par REV lors de l’utilisation des reverses.

En cas de détection de panne moteur, ENG FAIL s’affiche sur l’indicateur EGT correspondant.

On pourrait s’étonner que la poussée des moteurs ne soit pas indiquée : en fait, on ne sait pas mesurer la poussée d’un réacteur en vol. On utilise donc un paramètre représentatif de la poussée, ici le N1 exprimé en pourcentage d’une vitesse de rotation de référence.

Pour d’autres réacteurs, on peut trouver l’EPR (Exhaust Pressure Ratio), qui mesure la différence de pression entre l’entrée d’air et la tuyère.

D’une façon générale, quand une valeur s’approche d’une limitation, elle passe en jaune, et en rouge quand elle atteint ou dépasse cette limitation, sauf VIB et OIL QTY qui passe sur fond blanc.

Les prélèvements

Les réacteurs servent aussi à produire les autres formes d’énergie dont l’avion a besoin :

 

 

L’air comprimé est prélevé directement sur le compresseur HP du réacteur, au niveau du 5ème étage lorsqu’il tourne à régime élevé, et au 9ème étage lorsqu’il est au ralenti.

Sur le B737-800, l’air comprimé servira à la climatisation, la pressurisation et au dégivrage. Il pourra servir au démarrage et au rallumage en vol de l’autre moteur si l’APU est indisponible.

L’électricité est produite par des alternateurs, un par moteur, dont la vitesse de rotation est maintenue constante, pour avoir une fréquence fixe du courant alternatif (400 Hz), par un dispositif appelé CSD (Constant Speed Drive). Alternateur + CSD forment un ensemble appelé IDG (Integrated Drive Generator) installé sur le boîtier d’accessoires où il est entraîné en rotation par prélèvement mécanique sur l’attelage haute pression N2. L’énergie électrique est utilisée sous différentes formes par de nombreux systèmes, principalement ceux qui demandent peu de puissance.

L’énergie hydraulique est fournie par une pompe également installée sur le boîtier d’accessoires. Elle servira pour tout ce qui demande une puissance importante comme le train d’atterrissage, les volets ou les commandes de vol.

On trouve également, sur ce boîtier, la pompe à carburant qui va alimenter les injecteurs, la pompe à huile pour lubrifier le réacteur, le tachymètre qui mesure la vitesse de rotation de l’attelage N2, ainsi que la turbine du démarreur pneumatique.

La mesure de la vitesse de rotation de l’attelage N1 est faite, dans l’entrée d’air, par un système numérique qui compte les passages de pales du fan.

Le circuit carburant

Sur ce schéma, il est représenté en magenta.

Le circuit carburant interne au réacteur commence à la SPAR FUEL SHUTOFF VALVE située dans le bord d’attaque de l’aile près du mât de fixation du moteur. Cette vanne, couplée à l’ENG FUEL SHUTOFF VALVE, est commandée par le levier de démarrage du moteur ou par la poignée coupe-feu. Un voyant bleu situé au panneau supérieur indique qu’il est fermé (faible) ou en transit (brillant).

Le carburant passe ensuite par le premier étage de la pompe carburant du boîtier d’accessoires puis par deux échangeurs thermiques qui vont permettre de réchauffer le carburant tout en refroidissant l’huile de l’IDG pour le premier, et l’huile du moteur lui-même pour le second.

Puis le kérosène ainsi réchauffé passe au travers d’un filtre. La mesure de la pression du carburant avant et après le filtre va permettre de détecter un colmatage et d’allumer un voyant au panneau carburant un peu avant qu’un by-pass ne s’ouvre pour laisser passer un peu de fuel pollué, évitant ainsi l’arrêt brutal du moteur.

Le carburant passe ensuite par le deuxième étage de la pompe du réacteur et arrive au HMU (Hydro Mechanical Unit) qui va doser le débit de fuel en fonction des ordres donnés par l’EEC (Electronic Engine Control).

Le calculateur EEC, essentiel au fonctionnement du moteur, traduit les ordres reçus des manettes de gaz ou de l’ATS (Auto Throttle System ou auto-manette) en réglant le débit carburant. Il protège aussi le moteur contre les risques de sur-vitesse N1 ou N2, et contre le pompage (décrochage aérodynamique des ailettes du compresseur). C’est enfin l’EEC qui gère l’affichage de certains paramètres du moteur.

A la sortie du HMU se trouve le second robinet carburant, ENG FUEL SHUTOFF VALVE, conjugué au SPAR SHUTOFF VLV vu plus haut, qui lui aussi allume un voyant bleu, au panneau carburant, lorsqu’il est fermé ou en transit.

Avant d’arriver enfin aux injecteurs, le carburant traverse un débitmètre qui permettra de connaître et d’afficher le débit de carburant (FUEL FLOW) ou le carburant consommé (FUEL USED), suivant la sélection faite au panneau central.

Circuit de lubrification

Sur ce schéma, il est représenté en jaune.

Le circuit de lubrification du réacteur est particulièrement important étant donné la complexité, la masse des pièces en mouvement, les très grandes vitesses de rotation et les températures extrêmes de fonctionnement.

L’huile est aspirée, depuis le réservoir, par la pompe d’alimentation. En fait, il s’agit d’une pompe à plusieurs étages, un de ceux-ci servant à l’alimentation en huile fraîche, les autres à la récupération (scavenge pumps) après lubrification des paliers, roulements et autres engrenages. Cette pompe multi-usage est installée sur le boîtier d’accessoires.

La température et la pression de l’huile sont mesurées avant la distribution dans le moteur. Les valeurs sont indiquées, via l’EEC, au DU inférieur, et un voyant LOW OIL PRESSURE s’allume au DU supérieur en cas de pression insuffisante.

Après passage dans le moteur, l’huile est récupérée par la pompe multi-usage. Elle passe ensuite par un filtre équipé, comme pour le carburant, d’un by-pass et d’un voyant OIL FILTER BYPASS indiquant l’ouverture imminente de celui-ci. En vol, le colmatage de ce filtre est la plupart du temps le signal d’une dégradation interne du moteur. C’est pourquoi, ce voyant est situé sur le DU supérieur.

Avant son retour au réservoir, l’huile passe au travers d’un échangeur thermique qui réchauffe le carburant arrivant au moteur en même temps qu’il refroidit l’huile.

Démarrage et allumage

On l’a compris dans le principe de fonctionnement, pour que le réacteur fonctionne il faut que l’attelage N2 tourne afin que le compresseur « compresse » l’air, que la pompe à carburant puisse alimenter les injecteurs en fuel sous pression et que quelqu’un allume la flamme… ! Ce seront les fonctions du circuit de démarrage et d’allumage.

 

Comme sur de nombreux réacteurs de ce type, la mise en rotation de l’attelage N2 du CFM 56 se fera par l’intermédiaire d’une turbine à air comprimé installée sur le boîtier d’accessoires. L’air sera prélevé, à travers une START VALVE, sur le circuit pneumatique de l’avion, alimenté par l’APU, un groupe pneumatique extérieur ou l’autre moteur. Son ouverture est commandée par le sélecteur d’allumage du panneau supérieur positionné sur GRD (GROUND), position auto maintenue jusqu’à 56% de N2. Pendant cette phase, la vanne de prélèvement pneumatique du moteur (BLEED AIR VALVE) est maintenue fermée.

A 25% de N2, ou au maximum atteint si inférieur (max motoring, 21% mini), le positionnement de la manette de démarrage sur IDLE autorise l’EEC à délivrer le carburant aux injecteurs via le HMU et à actionner l’allumage dans la chambre de combustion. Suivant la position du sélecteur du panneau ENGINE START, un ou deux systèmes d’allumage seront utilisés. Ces systèmes, à haute énergie électrique, sont assez fragiles. L’utilisation de l’un ou de l’autre se fait alternativement.

A 56% de N2, le sélecteur de démarrage revient à la position OFF : la START VALVE est alors fermée, la BLEED AIR VALVE du moteur va s’ouvrir et l’allumage est coupé. La flamme s’auto entretient dans la chambre de combustion.

La  position GRD du sélecteur de démarrage peut être aussi utilisée pour un rallumage en vol : dans ce cas les deux systèmes d’allumage seront actionnés.

Les autres positions du sélecteur de démarrage sont utilisées pour commander les systèmes d’allumage en vol :

Avion en vol, dans les trois positions OFF, CONT ou FLT, si l’EEC détecte un arrêt du moteur (N2 diminue rapidement ou inférieur au ralenti), les deux allumeurs sont automatiquement activés (AUTO RELIGHT).

Inversion de poussée

Chaque réacteur est équipé d’un système d’inversion (REVERSE), sur le flux secondaire uniquement, actionné grâce au circuit hydraulique A pour le moteur gauche et B pour le moteur droit.

En cas de perte d’un des circuits hydraulique A ou B, c’est le circuit hydraulique STANDBY qui prend le relais, mais la vitesse de déploiement est réduite.

Les reverses ne peuvent s’utiliser qu’au sol.

Pendant le transit du mécanisme, la manette de gaz est bloquée en position interlock et le voyant REV est allumé en jaune sur le DU supérieur.

Quand le mécanisme est en position pleine ouverte, le voyant REV passe au vert et la manette des gaz est libérée, permettant ainsi d’augmenter la poussée inverse vers deux crans : le premier correspond à une situation habituelle alors que le deuxième, en bout de course de la manette, ne s’utilise que lorsque la plus grande efficacité de freinage est requise.

L’APU

On a vu que les réacteurs fournissent à l’avion l’énergie électrique, hydraulique et pneumatique. Lorsque l’on est au sol, moteurs à l’arrêt, grâce à des groupes de parc, on peut alimenter l’avion en électricité, en air comprimé et en air climatisé, mais ça rend dépendant des possibilités offertes ou non sur certains aéroports plus ou moins bien équipés.

 

Comme beaucoup d’avions aujourd’hui, le B737 est équipé d’un APU (Auxiliary Power Unit), qui fournira l’électricité et l’air comprimé au sol, pendant les escales et pour le démarrage des moteurs, et qui en plus, en vol, servira de source d’énergie complémentaire en cas de panne des systèmes principaux.

Il s’agit, en fait, d’un petit réacteur qui entraîne un compresseur d’air alimentant le circuit pneumatique de l’avion, et dont le boîtier d’accessoires entraîne un alternateur que l’on peut connecter au circuit électrique.

L’APU est alimenté en fuel par la partie gauche du circuit carburant. Si ce circuit n’est pas sous pression, les pompes principales étant à l’arrêt, une pompe spécifique alimentée en courant continu se met en route automatiquement pour assurer une alimentation correcte à partir du réservoir N°1.

Le panneau de contrôle est particulièrement simple : un interrupteur à trois positions, OFF, ON et START, cette dernière étant momentanée, un indicateur d’EGT, et trois voyants ambres indiquant des défauts qui provoquent l’arrêt automatique de l’APU. Le dernier, MAINT, s’allume en bleu si une intervention de la maintenance est nécessaire.

L’APU du B737-800 est démarrable et utilisable au sol et en vol, dans tout le domaine de vol de l’avion. Seule restriction, en vol, on ne pourra utiliser qu’un seul pack de conditionnement d’air alimenté par l’APU.

On aura l’occasion de reparler de tout cela en étudiant les différents circuits de l’avion qui peuvent recevoir une part de leur énergie fournie par l’APU.

Procédures anormales

Le QRH

Après avoir étudié comment marche les réacteurs et l’APU du B737-800, voyons maintenant comment ça peut ne pas fonctionner correctement.

Car contrairement à la voiture où il suffit de s’arrêter au bord de la route lorsque l’on est victime d’une panne, en avion, il faut continuer à voler avec la panne, quelle qu’elle soit, et atterrir dans les meilleures conditions possibles de sécurité.

Les constructeurs sont tenus de fournir aux utilisateurs toutes les informations nécessaires à la conduite du vol en conditions dégradées par différents types de pannes. Cela prend la forme d’un recueil de procédures et check-lists de secours qui sont réunies dans un booklet  appelé QRH pour Quick Reference Handbook.

Voici le sommaire du chapitre consacré aux pannes des réacteurs ou le l’APU. La liste est impressionnante !

Selon les pannes, leur traitement peut revêtir un caractère d’urgence ou bien laisser à l’équipage la possibilité de choisir le moment opportun pour gérer la partie technique du problème.

Elles se répartissent donc en procédures d’urgences, à effectuer sans délai et de mémoire (memory items), et en check-lists de secours dont l’exécution peut être différée. Les procédures d’urgence peuvent être suivies d’une check-list secours portant le même titre, à faire plus tard.

La liste des procédures d’urgence se trouve en tête de liste, au dessus de la ligne en pointillés.

Le chapitre contient également des troncs communs à plusieurs procédures tels que la check-list à suivre pour atterrir avec un moteur en moins par exemple…

 

Mais il ne faut surtout pas oublier que, dans tous les cas, la première des priorités est de faire voler l’avion correctement, donc de gérer la trajectoire, avant de se lancer dans quelque procédure que ce soit !!!

 

Par exemple, au décollage, on ne touche à rien tant que la manette de train n’est pas sur la position rentrée et que l’avion n’a pas atteint 400 ft/sol !

Exemple

Pour plus de clarté, prenons un exemple : imaginons que pour une raison inconnue, fuite sur le circuit d’huile ou dégradation de la pompe, la pression d’huile d’un des moteurs diminue. Lorsqu’elle va atteindre le trait jaune, environ 20 psi, le DU inférieur va s’activer automatiquement et afficher la valeur en jaune.

Pas de conséquences immédiates sur la trajectoire, et comme il ne s’agit pas d’une procédure d’urgence on peut donc sortir le QRH.

La check-list de secours correspondant est intitulée « ENGINE LOW OIL PRESSURE ».

ATTENTION DE BIEN LIRE LE TITRE ET LES CONDITIONS INDIQUÉES DANS LA ZONE GRISÉE ! Il est très facile de se tromper…

Il faut faire un choix entre deux contextes : si c’est au décollage on arrête le décollage, si c’est en vol, on attend d’arriver au trait rouge, environ 13 psi pour effectuer la check-list « ENGINE FAILURE OR SHUTDOWN ».

C’est donc le bon moment pour se préparer à cette manœuvre lourde de conséquences sur le plan opérationnel !

Si on ne l’a pas encore fait, il va falloir consulter la page ENG OUT du FMS pour connaître le niveau de rétablissement  sur un moteur à la masse et aux conditions du moment (à comparer avec l’altitude de sécurité locale), ainsi que la meilleure vitesse pour effectuer une descente en DRIFT DOWN.

Si la pression d’huile continue à chuter, en atteignant le trait rouge, il faudra tout de suite engager la descente en drift down avant d’effectuer la check-list secours.

Une fois que la trajectoire de descente sera établie, il suffira alors d’effectuer les différentes actions indiquées, en DO LIST, c’est à dire en lisant et effectuant chaque item sans en oublier…

La check-list se termine par deux items très importants :

“11 Plan to land at the nearest suitable airport”: Il faut donc se poser rapidement…

“Go to One Engine Inoperative Landing check-list”: les conditions pour l’atterrissage seront particulières.

Mais au fait, qu’est-ce donc qu’une descente en drift down ? C’est la manœuvre qui va permettre de perdre le moins d’altitude possible.

Pour cela, il faut afficher la poussée MAXI CONT sur le moteur restant et adopter la meilleure vitesse possible.

 

 

Sur ce graphique issu d’un FCOM B737-800 doté du réacteur CFM 56-7B26K, on trouve pour une masse de 60 tonnes un niveau de rétablissement de 225. D’autres FCOM donnent d’autres valeurs ainsi que le FMS du PMDG… ? Peu importe, disons aux alentours du FL230.

On voit également que cette descente va durer… un certain temps et que l’on va parcourir une très grande distance ! Il ne sera donc pas toujours nécessaire de rester en régime de drift down, surtout si le terrain de déroutement est proche et l’altitude de sécurité moins élevée. Et ça permettra de ménager le moteur restant : on n’est jamais trop prudent…

Voyons ce que cela peut donner en vol simulé, dans une petite vidéo, avec le B737-800 NGX de PMDG.

Le scénario de panne utilisé, Engine Oil Press, débouche très rapidement sur un arrêt du moteur qui se trouve alors bloqué ! Pas sûr que ce soit très réaliste…


Conclusion

Voici ce qui termine cette petite étude du système de propulsion d’un des avions les plus populaires au monde, aussi bien dans le monde réel que celui de la simulation. Ce n’est, bien sûr, qu’un aperçu dont l’ambition n’est pas d’être une référence absolue…

Bons vols !

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