turboprop engine

Turbopropulseur – Théorie et fonctionnement

Introduction

Le turbopropulseur est en soit une révolution dans le monde des avions ou engins à hélice (hélicoptères pour ne pas les citer…). Cet engin est à lui tout seul une très bonne transition entre l’univers des moteurs à pistons et les turboréacteurs (turbofan); Je vous invite d’ailleurs à lire l’article de Mike Victor à ce sujet.

Il permet, dans un espace relativement réduit, de fournir une puissance bien supérieure à un moteur à piston classique. En aviation, son usage a permis d’atteindre un ratio consommation / performance très avantageux.

Le système n’est pourtant pas exempt de défaut puisque qu’il ne permet pas des vols à grande vitesse. En effet, les performances des hélices sont fortement réduites lorsque les pales atteignent des vitesses transsoniques, ou à haute altitude à cause de la densité de l’air. Son intérêt réside dans le couple aérodynamique qu’il peut délivrer.

Afin de couvrir au mieux votre compréhension du turbopropulseur, je vous propose de passer un moment sur le fonctionnement d’un moteur à turbo propulsion, les différents type de moteurs et finir avec des exemples d’usages et bonnes pratiques.

 

Le fonctionnement du turbopropulseur

La turbine est l’élément de base du turbopropulseur. Nous allons couvrir la théorie rapidement, étant donné que l’article sur l’APU et le réacteur du 737 explicite largement les principes de base.

Que ce soit un moteur à piston ou une turbine, le principe physique appliqué est le même :

  1. Entrer
  2. Compresser
  3. Exploser
  4. Échapper

Seulement, au lieu de faire cela dans un seul endroit (la chambre avec un piston), nous répartissons ces étapes dans des endroits différents :

  1. L’entrée d’air
  2. Le compresseur (compressor)
  3. La chambre de combustion (combustion chamber)
  4. La tuyère d’échappement (Exhaust)
Turbopropulseur découpe schématique
Turboprop engine (source wikipedia)

L’avantage de ce type de montage est donc d’avoir un flux d’air permanent dans la turbine avec une puissance supérieure à un moteur à piston.

Intéressons nous au différents éléments de plus près…

 

Le compresseur

Comme son nom l’indique, son rôle et de compresser l’air entrant et lui donner un densité suffisante pour que la réaction se fasse dans la chambre de combustion.

Comme vous pouvez le constater sur le schéma ci-dessus, il y a plusieurs étages (« stage » en anglais) avec chacun des ailettes bien particulières afin d’optimiser la compression du flux d’air.

S’il y a plus de 6 ou 7 étages de compressions, vous pourrez alors entendre parler de « spool » (axe en français). En effet, à partir d’un certains nombre d’étages de compression, la vitesse de rotation n’est plus la même (flux d’air plus rapide près de la chambre de combustion) et donc, il devient judicieux de séparer ces étages sur deux axes indépendants et concentriques.

A savoir, chaque axe de compresseur est relié à une section de la turbine d’échappement. Même si cela ne sera pas très fréquent sur les turbopropulseurs civils que vous piloterez en simulation, ne soyez pas surpris par la notion de « high stage » ou « low stage »

turbofan - high low stage
Exemple de chambre haute et basse pression appliqué à un turbofan (source Wikipedia)

 

La chambre de combustion

La chambre de combustion, comme son nom l’indique, permet la combustion du carburant avec l’air compressé en amont. La réaction échauffe l’air qui n’a d’autre choix que de s’échapper vers la (ou les) section(s) « turbine(s) ».

Chambre de combustion - Turboprop
Chambre de combustion d’un turbopropulseur (source inconnue)

Le schéma ci-dessus (assez exhaustif) vous permettra de bien comprendre le fonctionnement et l’enchaînement des événements.

Sachez que tout est calculé pour éviter une température trop haute dans cette chambre afin d’éviter que les ailettes de la section turbine ne fondent ou tout simplement que le turbopropulseur explose…

 

Turbine et échappement

Voici l’élément clef du turbopropulseur : « la turbine ». C’est l’élément vital qui va entraîner la rotation de l’hélice.

Attention dans le cas d’un turbopropulseur avec séparation haute / basse pression (cf. compresseur), c’est la turbine de basse pression qui entraîne l’axe de l’hélice.

Cet axe est directement connecté à une « boite de vitesse » qui s’occupera de réduire la vitesse de rotation.

 

L’hélice

Dernier maillon du turbopropulseur, elle est connectée à la boite de « vitesse » ou réduction pour être plus précis. Elle répond au principe de l’hélice à pas variable dont vous pouvez aller découvrir le principe dans l’article fait par le même auteur :

En résumé, un système de gouverneur va faire varier le pas de l’hélice pour maintenir une vitesse de rotation constante.

 

Les types de turbopropulseurs

Turbopropulseur à transmission directe

(Aussi appelée Turbine liée / Single Shaft en anglais)

Ce type de turbopropulseur présente un axe unique de transmission entre la partie turbine du moteur et l’hélice (via réducteur de vitesse).

En simulation, vous le rencontrerez dans des avions tels que :

  • Jetstream 32 (Garnet TPE331)
  • Jetstream 41 (Garnet TPE331)
  • MU-2 Marquise (Garnet TPE331)
  • Cessna 441 (Garnet TPE331)
  • Piper Cheyenne (Garnet TPE331)
  • C-130 Hercules (Allison T56)

Dans le but de vous montrer quelques exemples de turbopropulseurs, je vous propose des découpes des moteurs des avions présentés ci-dessus:

Honeywell TPE331

Puissance de 600 hp à 900 hp en fonction du modèle…

Honeywell TPE331 turboprop - Single Shaft
Honeywell TPE331 (source tsb.gc.ca)

Comme présenté dans le chapitre précédent, vous voyez les différents éléments :

  • L’entrée d’air (en bleu clair)
  • Le compresseur (en bleu)
  • Les turbines (annotées et dans la zone rouge)

Vous voyez que dans ce cas précis, nous avons 2 étages de compresseur et 3 étages de turbines sur le même axe central. Cet axe va ensuite entraîner une boîte de réduction (montée au dessus de la partie bleue claire) et enfin nous finissons sur la partie toute à droite qui est raccordée à l’hélice.

 

Allison T56

Puissance maximum de 4350 hp.

Allison T56 Turbopropulseur
Allison T56 Turbopropulseur

Les codes couleurs étant presque identiques je pense que vous reconnaîtrez les sections.

Ce qui est intéressant, cependant, c’est de constater les multiples étages de compressions. Cela permet d’optimiser la compression du flux d’air.

Les chambres de combustion sont d’une taille conséquente pour une meilleure répartition du flux d’air.

Pour finir la turbine avec 4 étages.

Bien qu’il soit lourd et volumineux, ce moteur n’en reste pas moins, un des plus puissant de sa catégorie (d’où son usage militaire).

 

Turbopropulseur à turbine libre

(Free Turbine en anglais)

Le turbopropulseur à turbine libre comporte exactement les mêmes éléments. Cependant, la grosse différence réside dans la séparation des éléments moteur et turbine.

En clair, les axes d’entraînement des compresseurs et turbines sont différents. Je réserve les avantages et inconvénient de chaque système pour plus tard mais sachez que le système de turbine libre est aujourd’hui le plus répandu dans l’aviation (aile fixe ou voilure tournante).

Comme pour la section précédente, je vous propose de vous faire découvrir quelques motorisations utilisant ce type de technologie.

Avions connus en simulation utilisant des moteurs à turbine libre :

  • Dash8-Q400 (PW100)
  • Saab 340 (GE CT7)
  • Bell 214 (GE CT7) – Version améliorée du Huey
  • PC-12 (PW PT-6)
  • Cessna 208 Caravan (PW PT-6)
  • Aérospatiale Alouette III (Safran TM 333)

 

Pratt & Whitney 100 Series

Puissance maximum de 2700 hp.

Monté sur le Dash8-Q400 sur chaque aile, ce moteur présente plusieurs axes (spool) pour séparer les étages turbines du compresseur.

Turboprop de Dash8-Q400 - PW100
Dash8-Q400 / PW100 turboprop (source wikipedia)

PW100 turboprop découpe

Pratt & Whitney PW100 découpe (source inconnue)

 

Vous pouvez constater qu’il y a assez peu de différences en termes de construction par rapport à la catégorie « transmission directe ». Le principe est de présenter 3 axes concentriques dont l’axe de turbine (power turbines) qui est complètement indépendant du bloc compresseur et « low turbine ».

La turbine fonctionne donc à son propre rythme !

turbopropulseur axes concentriques
Axes concentriques de transmission (shaft)

Ci-dessus un petit exemple pour illustrer le principe de transmission concentrique (shaft) dans un turbopropulseur à turbine libre (axes turbine en gris).

 

Pratt & Whitney PT-6

Puissance maximum de 2000 hp.

Pilatus PC-12 image
Pilatus PC-12 – Motorisation PW PT-6 (source Wikipedia)

Impossible de présenter ce turbopropulseur si particulier qu’est le PW PT-6 sans parler du PC-12 ! A avion particulier, moteur particulier !

Le PT-6 est reconnaissable par ses tuyère d’échappement en avant. Cette configuration bien particulière vient de son design même. En effet, le PT-6 est en fait un turbopropulseur inversé.

Turbopropulseur PT-6 découpe
Turbopropulseur PT-6 découpe (source inconnue)

Comme indiqué dans la découpe ci-dessus, le PT-6 n’est pas monté dans le sens de la marche… L’arrivée d’air est coudée pour se conformer au montage inversé du moteur. Le flux d’air va donc de droite à gauche (bleu vers rouge) bien que le sens de progression soit de gauche à droite…

L’avantage de ce turbopropulseur est d’être assez compacte et plus facile en maintenance puisque les arbres d’entrainement des compresseurs et turbines sont véritablement séparés.

 

Safran TM 333

Parlons d’un produit purement français (Cocorico !).

TurboMeca (aujourd’hui Safran helicopters) a une véritable histoire dans le domaine via son fondateur : Joseph Szydlowski. Il est reconnu comme l’un des pionnier de la turbine d’où son surnom « Jo la turbine ».

Ce « turboshaft » équipe plusieurs hélicoptère français très connu dont l’alouette III. Sa fabrication et design font de lui un moteur extrêmement performant en haute altitude ! C’est donc sans surprise que vous les verrez évoluer facilement dans les alpes françaises…

Hélicoptère Alouette III
Allouette III (Source Wikipedia)

Voici un exemple de découpe du moteur TM333 qui reste similaire à un PW100 ou CT-7…

tm333 turboshaft
Safran TM333 – Turbine hélicoptère (source inconnue)

 

Conclusion

Ce premier article conclu la présentation du turbopropulseur, ainsi que les différents types de constructions que vous serez amenés à côtoyer dans la vie réelle ou en simulation.

Dans le prochain article relatif aux turbopropulseurs, nous verrons comment les prendre en main d’un point de vue pilote (quelles attentions apporter à chaque type de moteur, les leviers de contrôle, les indicateurs à suivre pour la gestion du moteur, etc…)

À propos de l'auteur: MaxWaldorf

Fondateur du site Flightsim-Corner.Certains tombent dans la potion magique, d'autres dans la simulation... Au détour de la découverte du premier "portable" IBM Thinkpad discrètement emprunté à son père, MaxWaldorf insère ses premières disquettes de Falcon et Flight Simulator 2.0 sur Windows 3.11...C'est parti, le virus le gagne et il passera au fur et à mesure sur d'autres simulateurs comme Flight Simulator 3.0, Flanker 2.0, FS2002, FS2004, FSX, P3D, DCS World pour atterrir finalement sur X-Plane et Falcon 4.0 BMS...